1、巨磁阻效應(yīng)與層結(jié)構(gòu)分析
所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得?格林貝格（Peter Grünberg）和艾爾伯?費(fèi)爾（Albert Fert）分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級(jí)厚度的非磁性材料分隔開來。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)”。
巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋,每一個(gè)電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，此時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。
基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)材料主要有三層：即參考層（Reference Layer或Pinned Layer），普通層（Normal Layer）和自由層（Free Layer）。如圖1所示，參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會(huì)受到外界磁場(chǎng)方向影響。普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開。自由層磁場(chǎng)方會(huì)隨著外界平行磁場(chǎng)方向的改變而改變。
圖1 巨磁阻層結(jié)構(gòu)
如圖2所示，兩側(cè)藍(lán)色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過兩層磁性材料，因而呈現(xiàn)低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時(shí)，電子較容易通過，但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現(xiàn)高阻抗。
圖2 電子自旋與磁化方向示意圖
如圖3所示，A為導(dǎo)電的非磁性薄膜層。在沒有外加磁場(chǎng)的狀態(tài)下，反鐵磁耦合的作用使得兩側(cè)的B層中的磁矩方向處于相反的狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)流過元件的電流呈現(xiàn)高阻態(tài)。
圖3 高阻態(tài)形式
如圖4所示，當(dāng)大于反鐵磁耦合的磁場(chǎng)作用于巨磁阻元件時(shí)，自由層磁化方向?qū)R外部磁場(chǎng)方向，此時(shí)，電阻急劇下降，對(duì)外呈現(xiàn)低阻態(tài)。電阻下降
圖4 低阻態(tài)形式
2、巨磁阻效應(yīng)應(yīng)用
以上為對(duì)巨磁阻效應(yīng)的介紹，下面結(jié)合最近的研究工作對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步分析。
根據(jù)NVE公司給出的datasheet，采用圖5所示的電路進(jìn)行布板，以及進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。
圖5 巨磁阻傳感器單運(yùn)放放大電路
圖6 實(shí)際PCB板及實(shí)驗(yàn)布置圖
實(shí)驗(yàn)過程：將傳感器按5mm的步長(zhǎng)遠(yuǎn)離磁鐵方向，記錄其軸向上的一個(gè)巨磁阻傳感器在離磁鐵不同距離時(shí)的電壓值，采用了兩個(gè)傳感器以保證實(shí)驗(yàn)的正確性，得到的結(jié)果如圖7所示。
圖7 巨磁阻軸向傳感器磁特性測(cè)量
圖8 巨磁阻磁特性參數(shù)表
結(jié)合圖7和圖8，可以得出以下結(jié)論：
傳感器隨著磁場(chǎng)的增大，電壓值增大；
本實(shí)驗(yàn)傳感器在20mm處達(dá)到飽和；
傳感器在達(dá)到飽和磁場(chǎng)后，隨著磁場(chǎng)的增加，電壓值減小。
針對(duì)上述結(jié)論與NVE公司給出的該傳感器磁特性（圖9）做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)圖9當(dāng)中在傳感器達(dá)到飽和磁場(chǎng)之后的電壓值是維持不變的，與本實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論不符。
圖9 NVE公司-外加磁場(chǎng)與電壓值的關(guān)系
針對(duì)以上結(jié)論與datasheet不符的情況，查閱資料和文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，如圖10所示的情況，當(dāng)外部磁場(chǎng)太弱時(shí)自由層不能很好的對(duì)應(yīng)外部磁場(chǎng)，表現(xiàn)為在0磁場(chǎng)附近，電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，而當(dāng)外部磁場(chǎng)過強(qiáng)時(shí)，參考層將會(huì)受到影響產(chǎn)生偏移，導(dǎo)致參考層也逐漸對(duì)齊外部磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致當(dāng)巨磁阻傳感器達(dá)到飽和之后，增大磁場(chǎng)強(qiáng)度，電壓值出現(xiàn)下降趨勢(shì)。
圖10 外部磁場(chǎng)強(qiáng)度與兩磁性層的關(guān)系
