巨磁电阻效应及其传感器的原理

巨磁阻效应及其传感器的原理和应用一、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。1、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（spinvalve）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。2、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colossalmagneto-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。3、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2201.542300[Co（15）/Cu（9）]30多层784.248300[Co（8）/Cu（8.3）]60多层1154.2654.2[Co（10）/Cu（10）]100多层80300Co（25）/Cu（19）/Co（4）/Cu（19）/Co（25）多层24.8300Co（3）/Cu（19）/Co（25）对称自旋阀19300Co90/Fe10（40）/Cu（25）/Co90Fe10（8）底部自旋阀7300Philips公司NiFe（100）/Cu（25）/Co（22）顶部自旋阀。4.6300IBM公司CoFe/AgCu（15）/CoFe3层结构4-7300NVE公司Fe（60）Co（8）/Cu（23）/AAF/Cu（23）/Co（8）Fe（60）平行双自旋阀6300Siemens公司[Co（30）/Cu（50）/NiFe（30）/Cu（50）]15多层9.9300[Co（15）/Cu（12）]n多层1704.2[Co（12）/Cu（11）]180多层55300NAF/SAFCoFe（25）/Cu（20）/CoFe（25）底部自旋阀13300二、磁性多层膜的巨磁电阻效应1、磁性层间偶合多层膜图4Cu-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6La-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PhysicalReviewLetters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。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.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°。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。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。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。图8.自旋阀角度传感器4.钙钛矿氧化物多层膜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。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%。三、巨磁电阻传感器通常，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