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        巨磁阻效应与传感器

        日期:2014-12-09 15:33

        巨磁阻效应与传感器

        摘 要:本文介绍了各种磁性材料的巨磁电阻效应及其传感器的原理、结构、特性和应用。 关键词:磁性多层膜、巨磁电阻效应、传感器、位置、角度、转速、应力、 发展趋势。

        一、 概述 :

        对于物质磁电阻特性的研究由来已久,早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化,通常用电阻变化率Δr/r描 述。研究发现,一般金属导体的Δr/r很小,只有约10-5%;对于磁性金属或合金材料(例如坡莫合金),Δr/r可达(3~5)%。所谓巨磁电阻 (GMR)效应,是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小,而Δr/r急剧增大的特性,一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约 高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。

        二、分类:

        GMR材料按其结构可分为具有层间偶合特性的多层膜(例如Fe/Cr)、自旋阀多层膜(例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi)、颗粒型多层膜(例如 Fe-Co)和钙钛矿氧化物型多层膜(例如AMnO3)等结构;其中自旋阀(spin valve)多层膜又分为简单型和对称型两类;也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类的。

        三、巨磁电阻材料的进展 :

        1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间偶合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δr/r在4.2K低温下可达50%以上,由此提出了GMR效应的概念,在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开,陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等 具有显著GMR效应的层间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅3年,人们便研制出可在低磁场(10-2~10-6T)出现GMR效应的多层膜(如 [CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n)。 1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的材料(例如Co和Fe20Ni80)制成Co/Cu/ Fe20Ni80/Cu多层膜,他们发现,当Cu层厚度大于5nm时,层间偶合较弱,此时利用磁场的强弱可改变磁矩的方向,以自旋取向的不同来控制膜电阻 的大小,从而获得GMR效应,故称为自旋阀。 与此同时,1992年A.E. Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co与Cu、Ag分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应,在低温下其Δr/r可达(40~60)%。 随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag等颗粒多层膜。 1993年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR更大的磁电阻效应,即colossal magneto- resistance(CMR)庞磁电阻效应,开拓了GMR研究的新领域。 GMR效应的理论是复杂的,许多机理至今还不清楚;对于这些理论也分为层间交换偶合(IEC)、磁性多层膜的GMR、隧道磁电阻(TMR)等类型,详情可 参阅有关文献。

        四、巨磁电阻传感器的进展:

        在发现低磁场GMR效应之后,1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR器件—自旋阀。同年,美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁 头,它将磁盘记录密度提高了17倍,达5Gbit/6.45cm2(in2),目前已达11Gbit/6.45cm2(in2)。这种效应也开始用于制造 角度、位置传感器;用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等领域。作为传感器它具有功耗小、可靠性高、体积小、价格便宜和更强的输出信号等优 点。最近已研制出利用CMR效应的位置传感器。2000年7月在德国的德雷斯顿举行的第3届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上,关于GMR传感器的论文占 论文总数的1/3以上,可见人们的关注程度。 表1自旋阀GMR代表值特性表 样品膜结构 结构形式 Δρ/ρ(%) 温度(K) 备注 [Fe(4.5)/Cr(12)]50 多层 220 1.5 42 300 [Co(15)/Cu(9)]30 多层 78 4.2 48 300 [Co(8)/Cu(8.3)]60 多层 115 4.2 65 4.2 [Co(10)/Cu(10)]100 多层 80 300 Co(25)/Cu(19)/Co(4)/Cu(19)/Co(25) 多层 24.8 300 Co(3)/Cu(19)/Co(25) 对称自旋阀 19 300 Co90/Fe10(40)/Cu(25)/Co90Fe10(8) 底部自旋阀 7 300 Philips公司 NiFe(100)/Cu(25)/Co(22) 顶部自旋阀。4.6 300 IBM公司 CoFe/AgCu(15)/CoFe 3层结构 4-7 300 NVE公司Fe(60)Co(8)/Cu(23)/AAF/Cu(23)/Co(8)Fe(60) 平行双自旋阀 6 300 Siemens公司[Co(30)/Cu(50)/NiFe(30)/Cu(50)]15 多层 9.9 300 [Co(15)/Cu(12)]n 多层 170 4.2 [Co(12)/Cu(11)]180 多层 55 300 NAF/SAFCoFe(25)/Cu(20)/CoFe(25) 底部自旋阀 13 300

         

        磁性多层膜的巨磁电阻效应

        1、磁性层间偶合多层膜

        图4 Cu-Co合金颗粒膜GMR效应 图5 钙钛矿氧化物的CMR效应特性曲线 图6 La-Y-Ca-Mn-OCMR效应曲线 磁性层间偶合多层膜和自旋阀多层膜的主要区别是:前者采用层间偶合方式进行信号传递;后者采用控制磁矩取向方式进行信号传递。 层间偶合多层膜结构通常由铁磁金属(FM)层和非磁性金属(NM)层交替生成,其通式为:CM/FM/NM…/FM/CM(1) 式中:CM—上下两侧的覆盖层(或称缓冲层)为金属材料,有无皆可。 1988年法国的M.N.Baibich等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters上发表了有关Fe/Cr巨磁电阻效应的著名论文,首次报告了采用分子外延生长工艺(MBE)制成Fe(100)/Cr(100)规则型点阵 多层膜结构。在这种(Fe/Cr)n结构中,Fe为强铁磁性金属,Cr为反铁磁性金属,n为Fe和Cr的总层数。它是采用MBE工艺将Fe(100) /Cr(100)生长在GaAs芯片上,其工艺条件是,保持MBE室内剩余压力为6.7´10-9Pa,芯片温度约20°C,淀积速率:对于Fe为 0.06nm/s;对于Cr为0.1nm/s。它们每层的厚度约(0.9~9)nm,通常为30层。为获得上述淀积速率,还专门设计了坩埚蒸发器。经实验 发现,当Cr的厚度小于(0.9~3)nm时,它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性(AF)的磁滞回线斜率逐渐增大。图1显示了Fe层为3nm,Cr层 分别为0.9nm、1.2nm和1.8nm,磁感应强度B在±2T范围内,热力学温度T=4.2K,n=30、35、60时,3个不同样本的特性。随着 Cr厚度的增加和总层数的降低,Δr/r也升高,而且高斯磁场强度HS越弱,Δr/r越高,当HS≈2T时,[Fe(3nm)/Cr0.9nm]60膜的 Δr/r 可达50%以上。实验还发现,即使温度升至室温,HS降低了30%,Δr/r也可达到低温值的一半,这一结论具有十分大的实用价值。[1] 随后人们发现了大量层间偶合多层膜中GMR效,如(Co/Cu)n、(Co/Ru)n、(CoFe/Co)n、(Co/Ag)n、(NiFe/Cu)n、 (NiCo/Cr)n、(NiFeCo/Cu/Co)n、(NiFeCo/Cu/Co)n和(NiFeCo/Al+Al2O3/Co)n等材料。这些材料 在室温下的Δr/r也都达到10%以上甚至更高 [2] 。

        2.自旋阀多层膜

        简单型自旋阀通常是由一层NM(例如Cu)和两层FM组成。与多层结构不同,具有扎钉磁化取向特性的第一FM层作为参考层,适当的选择Cu层的厚度,使它 仅将微弱的磁场信号偶合到作为敏感层的第二FM层。通常的扎钉功能是指在磁场作用下,向参考层上淀积一层反铁磁性(AFM)材料(例如NiO)获得的,为 了改进扎钉结构的性能,在其和AFM层之间可以附加一个三层层间偶合系统,与它的第一层为AFM层的材料偶合。如果采用FeMn作为AFM层,就会出现如 图2所示的磁电阻特性,图中第一条低磁场强度曲线的斜率是因敏感层旋转所致;第二条高磁场强度的斜率曲线是由参考层旋转所致;参考层旋转使得场强通常发生 在与交换偏置场(Hex)的相关处。如果我们将一个磁电阻作为磁场方向的函数,可以获得接近正弦波形的曲线。在低于Hex 一定范围内(图中的工作范围内),该特性与磁场强度无关,Δr/r与旋转角度相关,因此可用于角度传感器。与霍尔元件和非均质磁电阻(AMR)元件不同, 这种磁电阻元件测量角度仅需要几十毫特斯拉的磁感应强度,信号周期为360° [3] 。 根据扎钉层(NiO)相对于Si芯片的位置,简单自旋阀可分为“顶结构”和“底结构”两种。图3是具有不同层数多层膜的各种排列方式。图3(a)是3层对 称自旋阀结构,由3层磁性膜组成,中间的膜为自由层,两侧的NiO为扎钉层。图3(b)是一个对称多层自旋阀结构,2个扎钉层之间是一个 Co/Cu/Co/Cu/Co多层膜。图3(d) 是一个底结构自旋阀,将一个Co/Cu/Co多层膜放在扎钉层NiO的上面。 为了在3层或多层磁性膜内获得GMR效应或AFM层间的交换和偶合效应;加工多层膜结构必须采用图3(c)软硬材料相间的方式。表1是简单和对称自旋阀的 GMR特性表 [4] 。

        3. 颗粒多层膜

        颗粒多层膜通常是由二元金属形成的合金颗粒膜,在低温状态下,它具有GMR效应,其Δr/r也可达到(40~60)%。1992年A.E.Berkowitz和Chien等首次发现了Cu-Co合金颗粒膜的GMR效应。他们采用磁控溅射工艺,将Cu、Co分别溅射到Si(100)芯 片上,形成Co-Cu薄膜;该芯片以1r.p.s.的速度转,背景压力为调整溅射速率可生成8´10-4Pa,Co含量分别为12%、19%、28%,厚度为300nm的薄膜。图4是Cu-Co合金颗粒膜的特性曲线图,曲线a、b为19Co、28Co的样品,是采用淀积方法,在T≥100K时获得的,可以 看出曲线b已经产生振荡,它们的Δr/r分别达到8%和2%;而曲线c是在T≥10K时的19Co样品的特性,它的Δr/r达22%以上,可见还是相当 高。实验证实,对于这种薄膜经热处理退火后,即使在室温下也可以获得20%以上的Δr/r。[5] 近年来,不断出现了对于Fe-Ag、Fe-Cu等颗粒多层膜GMR特性的研究,发现材料的磁性成分较小时,颗粒间作用也较小;成分增至(25~30)% 时,其颗粒间具有较强的磁偶合。颗粒多层膜的另一特点是其磁性饱和场比磁电阻饱和场低得多;它在零磁场条件下电阻随温度的变化比在磁场中电阻随温度的变化 要小得多。

        4.钙钛矿氧化物多层膜

        图8.自旋阀角度传感器 1993年,R.Von.Helmholt等人首次在La2/3Ba1/3MnOx铁磁多层膜中发现了巨大的CMR效应,该多层膜在磁性转变温度(居里点 Tc)附近,Δr/r高达(106~108)%,即使在室温下的Δr/r也可达60%。这类多层膜采用外延生长、离轴(off—axis)激光淀积和退火 等工艺,将膜生长在SnTiO3芯片上。图5是在T=300K条件下,淀积和退火后电阻率与温度的相关曲线。从图中看出,随着磁场的增大 Δr/r减少,Δr/r的峰值发生在零磁场附近。[6] 图6是1995年S.Jin等人对La0.60Y0.07Ca0.33MnOx多层膜进行研究,采用多晶硅芯片,在T=140K,Hs≈6T条件下,生成 钙钛矿氧化物多层膜,获得的CMR效应曲线,它的Δr/r高达10000%。[7]

         

        各种巨磁电阻传感器的实际应用

        通常,轮速或增量位置传感器由磁场激励和检测传感器或电桥两部分组成。为了产生一个周期性变化的磁场,激励部分可采用一个永磁铁多极轮,也可由一个铁磁轮 和一个外加磁场组成。检测传感器包括磁场传感器、GMR传感器等。这类传感器可用作反时针刹车系统的轮速传感器,控制汽车发动机的速度和位置传感器以及各 种角度增量编码器等。

        1.磁性层间偶合多层膜传感器

        由于Co/Cu多层膜或在其基础上研制的CoCu/Co多层膜的磁电阻特性无迟滞效应,而且使用温度已达到200℃以上,长期稳定性也高于500h,因 此,将它用于传感器的较多。图7是C.P.O.Treutlerba研制的一种用于测量车轮速的多层膜传感器的电路框图,采用Co/Cu或CoCu/Cu 多层膜制成的4个GMR敏感电阻,组成一个电桥型场强计(gradiometer)。图中d是电桥的2个半桥之间的距离,实际上就是磁极轮的磁极距。当极 轮的旋转速度不同时,GMR传感器的桥路阻值将改变,使电桥产生并输出一个与轮速相关的输出信号,从而获得被测速度。

        2.自旋阀多层膜传感器

        图8是一个与层间偶合多层膜传感器类似的自旋阀角度传感器的框图,它的敏感电阻为FeMn/Co/Cu/NiFe多层膜。这种传感器也将4个敏感GMR放 在电桥内。为了从均匀磁场内的桥路中获得信号,应使与2个半桥相关的参考层的方向相反。因此,该传感器采用了一种所谓二次淀积工艺形成自旋阀,即在磁场旋 转下进行第一次淀积;利用第二次淀积期间除去中间介质层,以获得方向相反的小尺寸参考层。该传感器具有造价低、批量加工和采用微机械加工工艺等优点,可以 满足汽车传感器对环境温度在200℃左右的要求,与极轮或外加磁场配合使用。 图9是G.Rieger等人报告的另一种非接触式自旋阀位置传感器,它由可旋转磁铁和自旋阀多层膜系统两部分组成。通常将可旋转磁铁固定在被测对象上,使 其能够随旋转对象一起转动。多层膜结构包括顶、底两层Fe作为检测层,为软磁性材料;两检测层之间是一个Cu、Co相间的子系统作为反磁性(AAF)层, 是硬磁性材料;由此形成一个软硬相间的自旋阀系统。该传感器的测量原理是,在一个与Cu/Co多层膜系统的固定磁化率相关的外加磁场作用下,软磁性检测层 的磁化率的方向将随之改变,输出一个与外加磁场角度的余弦变化量相关的敏感信号。 如果软材料层和硬材料层的磁化排列相互平行,则GMR值最小;如果它们反向平行,则GMR值最大。该传感器多层膜的Δr/r约为5%;由于其检测层达不到 完全的软磁性,仍存在各向异性, 因此产生的迟滞为±1°;H为2.5~30kA/m,温度系数Δr/Tr为-0.25%/K。与Hall、AMR磁场传感器不同,该传感器仅对位置敏感, 由此测量出所加磁场的方向,而与所加磁场的强度在很大的范围内无关。因此在被测对象及旋转磁铁与多层膜系统之间可形成一个巨大的空气间隙,以调节非相关方 向的力矩。图中的M1、M2说明角度与自旋阀检测层和多膜系统之间的力矩相关。该传感器采用热氧化淀积工艺将每个敏感薄膜形成在Si片上,构成单个传感 器;或者采用标准光刻工艺将多层膜电阻桥路形成在Si片上,制成GMR全桥传感器。每个GMR元件均呈曲线形状,阻值为800W。全桥传感器的外型尺寸为 0.5mm´1mm,封入标准的SMD壳内。[8] 基于上述GMR传感器的输出信号为正弦曲线,因此适于制造低造价、非接触式传感器。下面是3个非接触式绝对位置传感器的实例,图10(a)是一个前轮角度 传感器,它将旋转永久磁铁放在GMR之上,由GMR传感器检测出旋转磁铁的位置,从而获得车轮的角度。图10(b)是采用相同原理的角度传感器,它将 GMR元件放在磁化2极磁轮的侧面。图10(c)利用了一个可至几厘米的偶极场的角度变化,由一根单独的棒形磁铁产生的离散磁场的GMR来测量出线性位 置。上述3例采用复校电路,可获得最大位移为10mm时,电路的分辨率达20mm。 图11(a)是一种铁磁轮式传感器,它的被测对象可以是一个机械齿轮,将GMR元件放在磁铁和齿轮之间,当齿轮旋转时,磁场的分布将发生改变,从而在 GMR元件内产生相应的数字化输出信号。图11(b)是一种磁极轮式传感器,磁极轮的旋转将改变磁场的分布,GMR元件内产生GMR效应,输出相应的数字 化信号。C.Giebeler等人也报告了类似的GMR角度和旋转速度传感器。[9] 最近Werner.Ricken等报告了一种采用GMR和涡流传感器进行混凝土无损试验的研究。他们将4个GMR元件组成的惠斯登电桥形成在Si芯片上。 然后密封入一块8针SOIC壳内。在|B|的线性范围≤1.1mV条件下,温度灵敏度为3.79%/mT。

        3.颗粒膜传感器

        最近,M.Angelakeris等人报告了一种Ag-Co颗粒多层膜磁场传感器,它的加工是在超高真空条件下,采用电子束溅射工艺,将其淀积在Si、聚 烯亚胺、玻璃等芯片上。它的加工工艺如图12分4步,首先采用平板印刷工艺将聚烯亚胺膜淀积在Si(100)芯片上,该模由8个传感器形成2×4传感器阵 列组成。第二步是选择Ag-Co多层系统淀积在该芯片上。第三步是淀积后除去未覆盖聚烯亚胺膜部分,只将传感器的Ag-Co多层膜系统保留在Si芯片上。 最后,将作为电气引线的Al接点预制在传感器元件之间,这种二维传感器可以扩展为16、32、64个元件,加工更多的元件应采用三维结构,但这将使电气引 线变得更复杂。这种传感器适用于稳定、均匀的小磁场测量领域。[11] 4.庞磁电阻传感器 图13.庞磁电阻位置传感器原理和芯片布置图。 图12.Ag—Co颗粒多层膜磁场传感器的加工工艺图13是O.J.Gonzalez等人最近研制的GMR位置传感器,它的敏感多层膜是一种钙钛矿氧化物,其主要成分是La0.67Sr0.33MnO3(LSMO),形成在Al2O2芯片上,呈4个环型电阻形状,作为惠斯登电桥的4个敏感臂,它们在磁场中阻值将减少。该传感器工作原理是,当两个磁电阻相 对变化时(R1和R3、R2和R4),非平衡电桥受永久磁场影响,输出最大值;当所有磁电阻对桥路的影响相平衡时,桥路输出为零。磁电阻电桥与旋转角度相 关的灵敏度可表示为: Sb=∣DVo(Q)/ Vi/DQ∣ (2) 式中:ΔVo(Θ)—桥路不平衡时输出电压变化率; Vi—桥路输入电压; ΔΘ—敏感角度变化率。 该传感器的加工工艺包括形成Al2O3芯片、光刻LSMO形成电桥以及最后进行退火热处理等12步。芯片总尺寸为 17mm´17mm´20mm,Sb为70.66mV,电路接口灵敏度为4.26mV/V/ º。[12] 5.半磁性半导体传感器 最近,A.I.Savchuk等人采用改进型Bridgman方法,生长出Hg1-x CrxSe和Hg1-xEu1-xTe单晶体薄膜,实验发现这两种材料具有显著的GMR效应。在x>0.05的Hg1-x CrxSe晶体内,存在与温度相关的针状不规则的GMR特性。室温下,Hg1-x CrxSe晶体的Dr/r值可达100%。

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