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類型分類:
工作原理
數(shù)據(jù)分類:
磁阻傳感器

巨磁阻效應(yīng)分析與應(yīng)用

發(fā)布日期:2022-04-17 來源:www.96woool.com 作者:環(huán)球電氣之家 點(diǎn)擊率:270

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。自由層磁場方會(huì)隨著外界平行磁場方向的改變而改變。

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

  • 接下來本文針對NVE公司型號為AA005-02的巨磁阻傳感器,對其磁化狀態(tài)與阻態(tài)形式進(jìn)行介紹。

如圖3所示,A為導(dǎo)電的非磁性薄膜層。在沒有外加磁場的狀態(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作用于巨磁阻元件時(shí),自由層磁化方向?qū)R外部磁場方向,此時(shí),電阻急劇下降,對外呈現(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

以上為對巨磁阻效應(yīng)的介紹,下面結(jié)合最近的研究工作對其進(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:

  1. 傳感器隨著磁場的增大,電壓值增大;

  2. 本實(shí)驗(yàn)傳感器在20mm處達(dá)到飽和;

  3. 傳感器在達(dá)到飽和磁場后,隨著磁場的增加,電壓值減小。

針對上述結(jié)論與NVE公司給出的該傳感器磁特性(圖9)做對比,發(fā)現(xiàn)圖9當(dāng)中在傳感器達(dá)到飽和磁場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-外加磁場與電壓值的關(guān)系

針對以上結(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)外部磁場太弱時(shí)自由層不能很好的對應(yīng)外部磁場,表現(xiàn)為在0磁場附近,電壓與磁場強(qiáng)度并非嚴(yán)格的線性關(guān)系,而當(dāng)外部磁場過強(qiáng)時(shí),參考層將會(huì)受到影響產(chǎn)生偏移,導(dǎo)致參考層也逐漸對齊外部磁場,從而導(dǎo)致當(dāng)巨磁阻傳感器達(dá)到飽和之后,增大磁場強(qiáng)度,電壓值出現(xiàn)下降趨勢。

圖10 外部磁場強(qiáng)度與兩磁性層的關(guān)系


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