巨磁阻效应与传感器

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。

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。

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

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

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)