巨磁電阻角度傳感器的研制1

1、巨磁電阻角度傳感器的研制陳家新（安徽大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院 ，安徽 合肥 230039）摘要：傳感器是一種技術(shù)密集，多學(xué)交叉的產(chǎn)品，傳感器技術(shù)的發(fā)展水平標(biāo)志著現(xiàn)在化工業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)力發(fā)展的高低，并直接影響著世界各國在科技，經(jīng)濟(jì)，工業(yè)生產(chǎn)以及軍事等領(lǐng)域中的競爭力。近年來，傳感器技術(shù)的主要研究方向，一是基礎(chǔ)研究方面，研究新發(fā)現(xiàn)與新效應(yīng)，開發(fā)新材料和新工藝，二是實(shí)現(xiàn)傳感器的微型化，集成化和智能化，因此本論文主要介紹巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，巨磁電阻效應(yīng)的原理以及應(yīng)用，并重點(diǎn)對巨磁電阻角度傳感器的工作原原理以及研制進(jìn)行深刻的分析。關(guān)鍵詞：巨磁電阻；角度傳感器；自旋閥，磁場。Preparation of gi

2、ant magnetoresistance angular sensorChen Jia-xin(School of Physics & Material Science, Anhui University, Hefei 230039, China)Abstract Introduction discovery of giant magnetoresistance, giant magnetoresistance effect and the application of the principles and priorities of the original principle o

3、f the GMR angle sensor and the development will be described.Keywords giant magnetoresistance；angle sensor；spin valve；magnetic field1 背景隨著工業(yè)化的邁進(jìn)，傳感器因?yàn)樽陨砭哂恤敯粜阅芨?，非接觸式測量，能在惡劣的環(huán)境下工作的特點(diǎn)而備受歡迎，21世紀(jì)是信息的時(shí)代，信息技術(shù)對科技和社會(huì)的發(fā)展的推動(dòng)作用越來越大，而傳感器則是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑。在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，巨磁電阻傳感器種類繁多，而角度傳感器正是其中的一種，它主要用來測量轉(zhuǎn)動(dòng)部件和固定部件之間的角度變化

4、，角度是一種重要的物理量，是機(jī)械，儀器儀表以及電子制造業(yè)當(dāng)中不可或缺的量，它們的精度對產(chǎn)品的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，如控制手臂頭部和其他部件的位置，因此本論文就巨磁電阻角度傳感器進(jìn)行著重的研究和分析。2 巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng)，指的是磁性材料的電阻率在外加磁場的作用下較之無外加磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象，巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成，而當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻，當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大，上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料，鐵磁材

5、料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，因而較小的磁場也可以得到較大電阻變化的材料，巨磁電阻來源于磁性材料導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子的自旋相關(guān)散射，也即散射勢與自旋有關(guān)。巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，迅速得到了發(fā)展，也引發(fā)了科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展。開創(chuàng)了自旋電子學(xué)這一具有巨大科學(xué)意義的新領(lǐng)域。目前常用的巨磁電阻效應(yīng)的材料主要有以下幾種：2.1 磁性金屬多層膜巨磁電阻 在多層膜中，巨磁電阻效應(yīng)不會(huì)受到磁場方向的影響，在外磁場的介入后由程增大，所受到的散射卻反而減小。這說明了電子的輸運(yùn)與電子的自旋散射中自旋取向的傳導(dǎo)電子的散射比對另一種自旋取向的傳導(dǎo)電子的散射更強(qiáng)。在磁場磁化方向反平行下，多層膜的電阻會(huì)變大，在室溫下，

6、多層膜巨磁電阻的變化率會(huì)達(dá)到10%。磁性金屬多層膜巨磁電阻材料類別非常多，但是因?yàn)樵诙鄬幽ぞ薮烹娮璨牧现袝r(shí)常會(huì)出現(xiàn)較大的層間交換耦合作用，需要外加很大的飽和磁場才產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)，所以它們的靈敏度不高，在實(shí)際應(yīng)用中效果并不大。2.2 顆粒膜巨磁電阻顆粒膜巨磁電阻是微顆粒鑲嵌于薄膜中所構(gòu)成的復(fù)合材料體系，原則上來說，顆粒的組成與薄膜的組成在制備條件下應(yīng)互不固溶，也因此使得顆粒膜區(qū)別于合金，化合物，屬于非均勻相組成的顆粒膜，雖然如此，但二者還是有很多相似的地方，顆粒膜和多層膜都屬于二相或者多相非均勻體系，唯一不同的是納米微粒在顆粒膜中呈現(xiàn)出混亂的統(tǒng)計(jì)分布，而在多層膜中的分布具有人工周期結(jié)構(gòu)，因此可

7、以存在一定的空間取向關(guān)系，但是二者都在不同的領(lǐng)域扮演重要的角色，當(dāng)研究物理理論問題的時(shí)候，多層膜遠(yuǎn)遠(yuǎn)比顆粒更加方便，相應(yīng)的，在實(shí)際應(yīng)用中，更多的是采用工藝制備顆粒膜技術(shù)。2.3 自旋閥巨磁電阻 自旋閥其實(shí)是一種特殊的磁性多層膜，典型的自旋閥結(jié)構(gòu)包括四層金屬膜：第一層是自由的磁性層；二層非磁性的導(dǎo)電隔離層；三層是被釘扎的磁性層；四層是釘扎的反鐵磁性層。自旋閥具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）磁電阻變化率對外磁場的響應(yīng)呈現(xiàn)線性關(guān)系，頻率特性好；（2）低飽和場，工作磁場??；（3）與AMR相比，電阻隨磁場變化迅速，因而操作磁通小，靈敏度高；（4）利用層間轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高，因

8、而它率先進(jìn)入實(shí)用階段，1994年，IBM公司宣布成功研制出讀磁頭為自旋閥結(jié)構(gòu)的硬盤驅(qū)動(dòng)器，隨后，世界各大公司紛紛公布各自GMR硬盤驅(qū)動(dòng)器讀出磁頭的雛形，從目前的發(fā)展形式來看，自旋閥是新一代高密度讀出磁頭的首選方案。2.4 磁隧道結(jié)巨磁電阻在磁隧道結(jié)中，兩個(gè)鐵磁層被一個(gè)非常薄的非磁性絕緣層隔離。電流通過電子量子隧穿效應(yīng)垂直流過膜面。當(dāng)兩磁性層的磁化方向一致時(shí)，隧道電阻最小，反之，隧道電阻最大，它的磁電阻效應(yīng)很大，飽和磁場小，一一般在1100Oe范圍，所以靈敏度高，典型的采用氧化鋁絕緣層的磁隧道結(jié)磁電阻變化率能達(dá)到40%，因而具有很大的實(shí)用價(jià)值。但是就目前而言，磁隧道結(jié)巨磁電阻還有很多問題有待解決

9、。3 巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用巨磁電阻材料具有室溫下磁電阻大，磁場靈敏度高，飽和磁場低，溫度特性好，穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，并且制作與集成電路工藝兼容，容易實(shí)現(xiàn)微型化集成化，成本低廉。由于以上優(yōu)點(diǎn)，巨磁電阻很快得到了實(shí)際應(yīng)用。3.1 磁存儲(chǔ)技巨磁電阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來主要被用于開發(fā)研制用于磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭。這就使得存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需要的磁性材料尺寸大大減少，從而使得磁盤的存儲(chǔ)能力得到很大程度的提高。1998年，美國的IBM公司終于成功的把GMR效應(yīng)應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)上，研制出了巨磁電阻效應(yīng)的磁頭，截止目前，巨磁電阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有包括電腦，數(shù)碼相機(jī)，MP3播放器在內(nèi)的數(shù)碼產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)

10、技術(shù)。3.2 巨磁電阻傳感器 利用巨磁電阻效應(yīng)研究開發(fā)出的巨磁電阻傳感器芯片，具有體積小，靈敏度高，溫度特性好，可靠性高，成本低功耗低以及可以工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這與傳統(tǒng)的傳感器相比具有明顯的優(yōu)勢，目前巨磁電阻效應(yīng)已經(jīng)在一些傳感器技術(shù)領(lǐng)域獲得了巨大成功的應(yīng)用。利用巨磁電阻效應(yīng)制備出來的傳感器與傳統(tǒng)的金屬薄膜磁組件最大的不同在于對弱磁場的靈敏度高，對磁場的方向變化更加敏感，巨磁電阻效應(yīng)器件的電阻值隨磁場強(qiáng)度的方向的變化關(guān)系為： R=R0+?0.55R(1-cosa) （1）式中的R0為巨磁電阻器件在無磁場下電阻值，R為在有磁場下的電阻值，a為磁場強(qiáng)度的空間方向，其值為0360°，其原

11、理示意圖如下4 巨磁電阻角度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳感器的結(jié)構(gòu)對功耗。靈敏度，量程，重復(fù)性，線性度以及動(dòng)態(tài)特性等很大影響，巨磁電阻角度傳感器主要是把外界磁場方向的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化，制作流程很簡單，只需要制作電阻元件即可，而自旋閥巨磁電阻材料的電阻變化很小，并且電阻變化不易于測量，所以通常采用惠斯通電橋把微小電阻的變化測量量轉(zhuǎn)化成電壓或者電流的變化。其幾本形式如下：全橋式惠斯通電橋必須保證四個(gè)橋臂的敏感電阻的變化方向不同，而自旋閥巨磁電阻的電阻變化與磁場方向和自身磁化方向相對取向有關(guān)，如果四個(gè)電阻都采用自旋閥制備，就一定要保證四個(gè)電阻的磁化方向不同，因此根據(jù)上面圖可得到如下公式： Vout=Vi

12、n(-) （2） 當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，輸出就為0，電橋處于平衡狀態(tài)，在本設(shè)計(jì)中，采用單臂電橋，即一個(gè)橋臂采用巨磁電阻，其余橋臂為定值電阻，4個(gè)電阻初始值相同，電橋采用恒壓源供電。4.1 角度傳感器的流程設(shè)計(jì) 主要包括以下幾個(gè)流程：制備自旋閥薄膜，用光刻刻蝕形成電阻，制備二氧化硅隔離層，光刻并刻蝕通孔，制備薄膜電阻，制備二氧化硅隔離層，再光刻并且刻蝕通孔，淀積電極薄膜，最后一步，就是光刻刻蝕電極，但是這種工藝步驟太多，成本太高，所以實(shí)際應(yīng)用并不可取，因此采取以下的步驟：（1） 通過物理濺射制備自旋閥巨磁電阻多層膜，這是最重要的一步，多層膜制備好后要在一定的磁場強(qiáng)度下進(jìn)行退火處理，來確定自

13、旋閥的磁化方向。（2） 通過光刻所得到的自旋閥巨磁電阻圖形復(fù)制到多層膜上。（3） 把光刻膠作為掩膜在刻蝕的作用下將多余的多層膜去除掉，制備自旋閥巨磁電阻。（4） 在光刻作用下，將與電阻互補(bǔ)的圖形復(fù)制到光刻膠上面。（5） 采用電子束蒸發(fā)沉積電阻薄膜。（6） 清洗光刻膠，光刻膠頂部上面的薄膜會(huì)隨著光刻膠一起被去除，從而留下所需要的電阻圖形。（7） 通過光刻作用將與電極互補(bǔ)的圖形復(fù)制到光刻膠上面。（8） 電子蒸發(fā)沉積金屬薄膜。、（9） 清洗光刻膠，制作電極。 自旋閥巨磁電阻磁性多層膜的制備 自旋閥多層膜的制備主要是采用了濺射技術(shù)而成，磁控濺射是為了在低氣壓下進(jìn)行高速濺射，必須有效地提高氣體的離化率，

14、通過在靶陰極引入磁場，利用磁場對帶點(diǎn)微粒的束縛來提高等離子體密度以增加濺射率的方法，本設(shè)計(jì)是在硅基片上制備而成的，主要結(jié)構(gòu)為Ta/NiFeCr/PtMn/CoFe/Ru/CoFe/NOL/CoFe/Cu/NiFe/Ta 這些結(jié)構(gòu)比自旋閥結(jié)構(gòu)做了一些改進(jìn)，其中NiFeCr/PtMn/CoFe為反鐵層，CoFe為鐵扎層，Ru為反鐵磁層與釘扎層之間的隔離層，NOL為納米氧化層，稱為反射層，將它插于自由層與釘扎層之間可以提高磁電阻效應(yīng)。這是由于電子在金屬與絕緣層界面處的特殊散射作用。CoFe/Cu/NiFe為自由層。Ta為緩沖層和覆蓋層，在濺射完成后，為了確定自旋閥的自由層和被釘扎層的磁化方向，需要在

15、一定的磁場強(qiáng)度下進(jìn)行退火處理。退火處理還可以降低自旋閥的矯頑力。 自旋閥多層膜的磁化方向4.1.2 將巨磁電阻圖形轉(zhuǎn)移到多層膜上通過光刻工藝和刻蝕技術(shù)，將巨磁電阻圖形轉(zhuǎn)移到金屬板上面。以下是實(shí)物照片： 制備自旋閥巨磁電阻 在半導(dǎo)體元件的制備過程中，光刻是個(gè)非常重要的工藝步驟，是將設(shè)計(jì)的元件轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶圓上的必經(jīng)過程。光刻要經(jīng)過以下步驟：首先，在得到的晶圓表面上涂上一層光刻膠，然后用一束指定的光線透過掩膜板上的圖形照射到光刻膠上，最后是進(jìn)行光刻工藝。光刻工藝又分為以下幾個(gè)部分：（1） 基片清洗，將樣品放入丙酮中用超聲清洗8分鐘，然后在酒精中超聲8分鐘，最后用離子水清洗。（2） 旋涂光刻膠，在樣

16、品上滴上一定量的光刻膠，并放到勻膠機(jī)上攪拌旋轉(zhuǎn)一分鐘，使光刻膠分布均勻。（3） 烘膠，就愛那個(gè)樣品放入烘膠臺上，烘烤兩分鐘。（4） 曝光，將掩膜板與樣品上涂有光刻膠的位置對準(zhǔn)，在紫外光源的照射下曝光18秒即可。（5） 后烘，放入烘膠臺再次烘烤兩分鐘，溫度設(shè)置為90°C。（6） 顯影，將光刻膠侵入蘇州瑞紅RZX-3038顯影液中 35秒，然后用去離子水清洗后甩干。（7） 堅(jiān)膜烘培，在120°C高溫下烘培20分鐘，揮發(fā)出光刻膠中殘留的雜質(zhì)以此來穩(wěn)固光刻膠，提高與襯底表面的粘附性。 制備電阻和電極電極和電阻制備過程相同，都需要用到金屬Ti。通常采用電子束蒸發(fā)和剝離技術(shù)來制備，制備

17、過程步驟一般如下：第一步采用光刻技術(shù)在襯底上形成厚光刻膠圖案，然后采用電子束蒸發(fā)沉積金屬薄膜，但是由于此方法制備薄膜的的臺階覆蓋性過差，部分金屬薄膜可能會(huì)斷開，因此在制備過程中要注意，最后是進(jìn)行剝離工藝，剝離工藝簡單，只需要超聲清洗，而且避免了刻蝕工藝對襯底的傷害，但是剝離工藝也存在一定的缺陷，即表面形貌要求要非常平整光滑，薄膜與襯底附著性要好，以避免在清洗過程中脫落。以下是剝離工藝流程圖：封裝制作器并測試性能 封裝是將電性能良好的芯片裝入管殼并用引線把電極和管殼腳連接的工藝工程，主要流程如下：它是先從硅片上切割得到劃片，再將合格的芯片粘結(jié)在底座的基板上，用引線鍵縫合技術(shù)將芯片上的壓焊塊與引腳

18、端口連接起來，這一步稱為組裝，然后進(jìn)行包封。除此之外，更重要的是對角度傳感器的靜態(tài)特性進(jìn)行測試，傳感器靜態(tài)特性是指在穩(wěn)定條件下輸出與輸入之間的關(guān)系，一般表示為：y=f(x).根據(jù)上面所做的惠斯通電橋輸出公式可以得到，VOUT=Vin,在本設(shè)計(jì)中，R相對R很小，可以忽略不計(jì)，因此可以得出VOUT=Vin,其中R為電阻變化值，與磁場方向變化角度呈余弦關(guān)系。 傳感器設(shè)計(jì)成功后，采用直流穩(wěn)壓電壓源提供1V電壓，通電電流設(shè)置為400mA較好，磁場方向每轉(zhuǎn)動(dòng)1°測量一次，范圍是0180°，以此得到的數(shù)據(jù)圖如下：從上面所繪的圖中可以看出，所研制的巨磁電阻角度傳感器的特性曲線近似符合正弦，

19、因此可以說，角度傳感器制作成功。理想的傳感器的靜態(tài)特性一般有線性度，遲滯和重復(fù)。 （1）線性度：傳感器的線性度說的是傳感器的輸入與輸出之間的線性程度，最理想的傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以簡化傳感器的設(shè)計(jì)計(jì)算；方便傳感器的數(shù)據(jù)處理；易于制作安裝和提高測量精度；可以避免非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 實(shí)際上制作出來的傳感器一般都為非線性，因此通?？梢圆捎梅蔷€性特性的線性化-直線擬合進(jìn)行處理。擬合方法通常有：端點(diǎn)法，割線法，切線法，最小二乘法等等。由上面的數(shù)據(jù)圖可知，傳感器輸入輸出近似呈余弦關(guān)系，而在部分角度內(nèi)可以看出，近似是呈線性的。使用軟件對圖進(jìn)行直線擬合，可以得到以下的結(jié)果圖：（2）遲滯傳感器的遲滯特性表征傳感器在正向和反向行程間輸出輸入特性曲線不一致的程度，通常用這兩條曲線之間的最大差值MAX與滿量程輸出的百分比表示，傳感器之所以會(huì)有遲滯是因?yàn)樽孕y本身的磁帶效應(yīng)以及測量誤差。從上圖中可以看出，在0180°范圍內(nèi)是正反行程，可以畫出電橋遲滯特性曲線：（3）重復(fù)性重復(fù)性是指傳感器同向滿量程多次測量曲線不的不一致程度，之