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（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。

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Δ

r/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。

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

二、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。

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