（微电子学与固体电子学专业论文）基于gmr的地磁定向方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，6 m r ) 效应是指将反铁磁偶合的三层纳米 膜电阻元件置于一定的磁场中，g m r 的电阻率发生剧烈的变化，其磁灵敏度与一 般磁敏元器件相比要高数倍，这一现象的发现立即引起了社会各界的广泛关注。 该效应的应用面极其广泛，尤其在磁盘读写领域做出了突出的贡献，使得磁碟式 硬盘的存储容量剧增。目前主要应用于自动化、汽车工业、导航技术等领域。 本文首先介绍了g m r 效应的发展历史以及目前国内外的发展状况，阐述了 g m r 效应的产生机理以及自旋阀多层膜g m r 的制各，并应用g m r 传感器设计 出一套地磁定向系统，并对目标方向进行测量。 g m r 效应的产生机理主要是源于铁磁体的白发磁化和自旋电子的散射机制。 本文给出了电流双通道模型，从而更形象的解释了在反铁磁偶合的三层纳米膜中 存在g m r 效应的原因。并简单介绍了自旋阀多层膜g m r 的制备工艺流程。 在硬件方面，本次设计给出一套基于a t 8 9 c 5 1 作为控制核心的检测电路。使 用步进电机作为载体，将传感器置于其上，经a d 采集之后将数据返回给a t 8 9 c 5 1 处理并显示，通过计算得出最终结果。 本论文研究基于g m r 的地磁场定向方法主要可以应用于利用地磁场判定航 向、导航等领域。 关键词g m r ：自旋阀；步进电机；地磁场定向；单片机控制电路 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t g i a n tm a g n e t o - r e s i s t a n c e ( g m r ) e f f e c ti st op l a c eaa n t i f e r r o m a g n e t i cc o u p l i n g t h r e el a y e rn a n o - f i l mr e s i s t o rc o m p o n e n ti n t oac e l t 2 1 i nm a g n e t i cf i e l d ，w h i c ht h e r e s i s t i v i t yo c c u 墙ad r a s t i cc h a n g e ，t h ec h a n g ei sh i g h e rt h a no r d i n a r ym a g n e t i c c o m p o n e n t sa n dd e v i c e s ，g e n e r a l l ya b o u tm a n yt i m e s t h ed i s c o v e r yo ft h i s p h e n o m e n o nh a sa t t r a c t e d 、 ，i d ca t t e n t i o ni m m e d i a t e l y t h ea p p l i c a t i o no f t h i se f f e c tc a n b ee x t r e m e l yb r o a d ，e s p e c i a l l yi nt h ed i s k r e a da n d w r i t e ，a n dm a d eo u t s t a n d i n g c o n t r i b u t i o n st ot h e c o m p u t e rf i e l d , m a k i n gt h ec a p a c i t yo fh d ds t o r a g ei n c r e a s e s d r a m a t i c a l l y a tp r e s e n t , s h a l lb ef o ra u t o m a t i o n ，a u t o m o t i v e ，n a v i g a t i o nt e c h n o l o g ya n d o t h e rf i e l d s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i s t o r i c a lo fg m re f f e c td e v e l o p m e n ta n dt h ec u r r e n t s t a t eo fd o m e s t i cd e v e l o p m e n ta n da b r o a d e x p l a i nt h em e c h a n i s m o ft h eg m re f f e c t a n de l a b o r a t et h ep r e p a r a t i o no fs p i n - v a l v em u l t i l a y e rf i l m sg m r b yu s i n gag m r s a l s o r , w ed e s i g n e dah i g h - p r e c i s i o nm a g n e t i co r i e n t a t i o ns y s t e mt om c 趿l r et h e d i r e c t i o no ft h et a r g e t g m re f f e c ti sa t t r i b u t e dt ot h em e c h a n i s mo ft h es p o n t a n e o u sm a g n e t i z a t i o no f f e r r o m a g n e t i ca n ds p i n d e p e n d e n ts c a t t e r i n gm e c h a n i s m i nt h i sp a p e re x p l a i n e dt h e r e a s o nw h yg m re f f e c tp a l le x i s ti nm u l t i l a y e rg m r c o m p o n e n tb yh a v i n gad o u b l e c u r r e n tm o d e l a n db r i e f l yd e s c r i b e st h eg m r s p i i l v a l v em u l t i l a y e rp r e p a r a t i o n p r o c e s s o nt h eh a r d w a r es i d e ，t h i sd e s i g ni sg i v e na sad e t e c t i o nc i r c u i t , w h i c h c o n t r o l l e db ya t 8 9 c 51b a s e d0 1 1 s t e pm o t o ru s e d 鹊ac a r r i e r , t h e l l s o rp l a c e do bi t a f t e rt r e a t m e n t , t h ed a t ec o n v e r t e db ya da n dr e t u r n e dt ot h ea t 8 9 c 51t oc a l c u l a t e a n ds h o w st h er e s u l t s i nt h i ss t u d y , g e o m a g n e t i co r i e n t e dm e t h o d sb a s e do ng m rc a n b ea p p l i e dt od e t e r m i n et h ec o u r o ft h eg e o m a g n e t i cf i e l du s e ，n a v i g a t i o n , a n do t h e r f i e l d s k e y w o r d sg m r ；s p i n - v a l v e ；s t e pm o t o r ；m c uc o n t r o lc i r c u i t - 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 “方向”这一概念在人类生存中是不可缺少的。小至步行、驾车等日常生活，大 到航空、航海、卫星发射等活动都需要确定方向位置。对定向的研究最早应追溯 到中国古代的战国时期，古人称之为“司南”，即指南针。它是用天然开采出的具有 磁性的石头制成。其外观像汤勺，并配有平滑的圆形底座，当它静止的时候，勺 柄就会指向南方。而后古人又相继发明出旱罗盘、水罗盘等指南针。 随着科技的发展，时代的进步，人们所使用的定向工具也全面进入高科技化。 目前主流的地磁定向工具有：陀螺寻北仪、磁罗经、霍尔效应磁传感器、全球定 位系统g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) 以及与本文相关的磁电阻式电子罗盘。其中， 陀螺寻北仪具有较高的精度，通常用于测量加速度、角速度等，但由于其造价高、 体积大的缺点，目前只用于大型船只、飞机以及卫星上。相同的是磁罗经也具有 上述缺点而逐渐被淘汰。霍尔效应磁传感器虽然具有重量轻、体积小、功耗低等 优点，但其测量精度低、噪声大等缺点使得它只能应用于对测量结果要求较低的 环境。g p s 是目前应用范围最广的定位系统，它具有的精度高、覆盖范围广等诸 多优点，然而在建筑物密集、地形复杂的区域，信号往往会被遮挡而出现盲区。 磁电阻式电子罗盘的出现恰好弥补了上述这些方法的缺点。 地磁场作为一个固有磁场已存在上亿年，基于磁电阻传感器的定向设备恰好 有效的利用了这一固有磁场。它具有不受地形限制、精度高、灵敏度高等特点， 因此既可以作为主要测量工具也可以作为辅助测量工具。而g m r 效应的发现进一 步提高了磁电阻式定向设备的灵敏度和精确度。 1 2g m r 效应简介 g m r 效应是将反铁磁偶合的三层纳米膜电阻元件置于一定的磁场中，g m r 黑龙江大学硕士学位论文 的电阻率发生剧烈的变化，其磁灵敏度较一般磁敏元器件高数倍。 早在二十世纪八十年代之前，科学家侧重于对不同种磁性层以及铁磁层与非 铁磁层或反铁磁层之间产生的交换耦合现象进行研究，但取得的成果并不显著。 在1 9 8 8 年，工作于德国j o l i c h 科研中心的p e t e ro r i i n b e r g 学者【l 】则将重心移到一种 在两层相同的铁磁层之间置入其他金属的三明治结构，即f e c r f e 三层膜层结构。 他们的最初设想是通过改变中间层的厚度来研究c r 制成超薄膜时反常特性的变 化，却意外的发现，在适当的厚度下( 约l n m ) ，通过c r 层的中介使相邻的f e 层 薄膜之间发生了交换耦合现象，并且形成了铁磁层与反铁磁层之间的耦合。随后 p e t e r 等人又对这一现象进行深入研究发现当相邻f e 层磁化方向平行时，该结构的 电阻率要小于反平行时的电阻率，实验结果显示电阻率只变化了2 - - 4 ，因此并 没有引起人们的注意。同年，法国巴黎第十一大学的a l b e r tf e r t 科研组【z j 对磁性金 属中的杂质种类、杂质量与电阻之间的联系进行研究，发现在具有磁性的金属中， 电子自旋是否平行或反平行于金属的磁化方向对运输电子的散射有着很大的影 响，也就是自旋相关散射。接下来，他们又通过分子束外延技术，在o a a s 基片上 生长出f e c r 超晶格系，目的是对层间耦合的机理进行深入的研究。但在对电阻进 行测量时，他们发现 f e ( 3 n m ) c r ( 0 9 n m ) 4 0 超晶格在温度和磁场分别为4 2 k , 2 t 的 条件下与零场相比电阻率下降约5 0 2 1 ，即使在室温下加载2 t 磁场时，电阻率也 下降1 7 。该结构的电阻率变化比f e n i 合金所产生的各向异性磁电阻效应 汹i s 0 们p i cm a g n e t o - r e s i s t a n c e ，a m r ) 约高l0 余倍，故称此效应为g m r 效应。图 1 1 为温度4 2 k 时，几种f e c r 超晶格的电阻变化率和磁场的关系，其中 a r = r r 日由，皿为饱和磁场。这一现象已经发现立即引起了学术界的广泛关注， 并成为确立自旋电子学【3 j 起点的重要标志。 第1 章绪论 - 4 。3- 2101234 h ( t ) 图1 1 几种f e c r 超晶格的电阻率变化和磁场的关系 f i gl - 1t h er e l a t i o nb e t w e e nr e s i s t i v i t yc h a n g i n ga n dm a g n e t i cf i e l do ff e c rs u p e rl a t t i c e 1 3g m r 的发展状况及应用 1 3 1g m r 效应国内外的发展状况 对g m r 效应的研究应追溯到1 9 8 8 年。当年，德国学者p e t e rg r n n b e r g 在对 f e c r f e 三明治结构的研究中发现了层间交换耦合现象，并发现该结构的电阻率的 变化量为2 q 。同年法国的f e r t 小组对f e c r 超晶格的物理特性进行研究，目 的是认清层间耦合的实际机理。但在其对电阻的测量中意外的发现在温度为4 2 k 、 磁场为2 t 的条件下，该超晶格的电阻急剧下降至0 磁场下的一半。1 9 9 1 年，p a r k i n 学者利用磁控溅射技术，制备出c o c r 、c o r u 、f e c r 、c o c u 等多层膜结构【4 】。 1 9 9 2 年，在b e r k o w i t z 的研究中发现，c o c u 颗粒膜也具有g m r 效应【5 】。1 9 9 3 年， h e l m o l t 在研究中得出，在类钙铁矿l a 粥b a l 小血o x 铁磁薄膜中电阻率变化达到的 6 0 【6 j 。19 9 4 年，c l c h i e n 在l a - c a - m n o 类钙钛矿中发现了特大磁电阻( c o l o s s a l m a g n e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) 效应 7 1 。而后j i i l 等人在l a o 6 7 c a o 3 3 m r l o x 薄膜结构中发 现，在7 7 k 的温度下电阻率变化高达1 2 7 0 0 0 。m o y a z a k 等人【射，在1 9 9 5 年的研 黑龙江大学硕士学位论文 i - - i i m i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣 究中发现f e a 1 2 0 3 f e 三层膜结构具有隧道巨磁电阻效应，并测量出在室温下其电 阻率的变化可达18 。19 9 6 年，便发现在c o ( n i ) s i 0 2 颗粒膜也同样具有隧道巨磁 电阻效应。 自从g m r 效应发现至今，我国学者以及科研机构对新生磁电阻元件以及理论 进行了深入的研究，研究成果也颇为丰厚。从二十世纪初至今，国内公开发表的 相关文献已经达到1 0 0 余篇。研究方向主要分为四种：金属多层膜 9 , 1 0 , 1 1 】、颗粒膜 1 2 , 1 3 , 1 4 、隧道结【1 5 1 6 , 1 7 】以及氧化物薄膜。其中，对多层膜巨磁电阻效应的研究较深 【堋，研究内容主要包括：产生机理、结构、对电阻率产生影响的条件等。并且独 立发现了3 种纳米量级具有g m r 效应的多层膜结构，而目前全球发现具有g m r 效应的多层膜结构仅为2 0 余种。在理论方面，国内对磁电子、自旋电子学的理论 研究也取得了诸多的具有创新性的研究成果。目前国内已经掌握自旋阀多层膜 g m r 、隧道g m r 、软硬磁膜的制备工艺，与其他g m r 传感器相比，我国研制的 g m r 传感器具有较好的线性度、灵敏度。通过和其它单位的磁场传感器产品比较 可知，我们已研制出的g m r 磁场传感器已处于领先地位。在利用惠斯登电桥而研 制的g m r 多层膜和自旋阀磁场传感器中，我们得到最高的线性可测范围为 + 2 0 0 0 e 。 1 3 2g m r 的应用- 1 9 9 4 年美国n v e 公司首先发布了旗下最新基于g m r 效应的磁传感器，并且 实现了量产化【嘲。但真正给经济领域带来冲击的是1 9 9 7 年1 1 月m m 公司宣布其 利用g m r 效应而成功研制出硬盘的读写磁头刚。该项技术使得磁碟式硬盘的存储 容量从1 g b i t 突增至2 0 g b i t ，数据密度则达到了5 g b i t i n z 。从此计算机领域步入了 高密度、高容量阶段，目前已出现t b i t 级别的硬盘。随后美国的h o n e y w e l l 、f o r d ， 日本的s o n y 、p a n a s o n i c 、s a n y o 、t o s h i b a 、h i t a c h i 以及德国的s i e m e n s 等公司相 继发布了各自的g m r 传感器，应用领域极其广泛。 在信息化高速发展的今天，由于g m r 效应具有广泛的应用性，随之而来的便 是全球各界对其的高度重视。现阶段g m r 效应应用的领域主要有磁传感器、硬盘 第1 章绪论 中的高密度读写磁头等方面。而基于g m r 效应研制出传感器具有非常广的应用前 景。其中，大到医疗设备、自动化、卫星定位系统、海陆空交通运输工具的导航 等，d , n 角度传感器、具有方向识别的增量式开关、家用电器的无触点转动选择 开关、线形传感器、无触点开关、接近开关、打印机喷头位置传感器、气缸内活 塞位置检测传感器、转动传感器等。 在测量方面与霍尔材料、各向异性磁电阻材料相比，g m r 具有灵敏度高、探 测范围广、抗干扰能力强等优点。因此g m r 传感器已经逐步的取代了市场上已有 的向异性磁电阻传感器、磁通门计、干簧管器件及霍尔元件【2 1 1 。g m r 在测量方面 有着优异的表现，其中包括对交流电流、直流电流、弱磁场、直线加速度以及角 速度等方面的测量。 1 4 本课题研究的主要内容 本文首先对g m r 效应进行详细的介绍，并阐述其发展过程和产生机理以及制 备过程。接下来选用华夏磁电子公司所生产的g m r 传感器芯片搭建电路。并使用 步进电机作为载体带动g m p , 传感器进行旋转。步进电机作为高精密仪器具有可精 确控制步幅大小、无累积误差等优点，因此步进电机的控制是地磁定向系统的关 键之一。由于g m r 传感器中的铁磁层与地磁场的取向不断发生变化，导致输出电 压产生波动。理论上，输出波会以正弦波的形式出现。通过放大电路对g m r 传感 器的输出信号进行滤波放大，经由a d 采集将数据返回给主控单元进行处理并显 示记录。最后通过计算得出目标方向与磁北方向的夹角。由于步进电机带动g m r 传感器进行旋转，使得读数发生微少的变化，通过求取最大值来测定出目标方向 与正北方向的夹角，从而完成地磁定向方法的研究。 黑龙江大学硕士学位论文 第2 章g m r 效应的产生机理及制备 2 1 磁电阻效应 磁电阻效应( m a g n e t o - r e s i s t a n c ee f f e c t , m r ) 是指将元件置于磁场中，因磁场对 其的影响而导致电阻率发生变化圈，其表达式为： 缎= p ( t t ) - p ( o ) p ( 0 ) ( 2 1 ) 或 m r = 等铲 p 【爿) 式中，p ( h ) 代表有磁场作用时元件的电阻率；p ( o ) 代表无磁场下元件的电阻率； m r 为磁阻变化率。 磁电阻效应产生的原因是由于运动中的电子受到磁场的作用，这时将会产生 洛伦兹力，使得电子原有的运动轨迹产生偏移，其轨迹呈螺旋状。从而使电子的 散射截面增大，因此其电阻也会随之增大。几乎所有的金属、合金以及半导体都 较大或较小地具有磁电阻效应，但常见的非磁性金属的磁阻效应较小，大约为 1 也，如a g 、c u 、a u 等。 电流i 和磁场h 间的相对夹角秒是普通金属m r 变化的关键。当电场与磁场的 夹角为。时，称之为纵向磁电阻效应，记为n 。同理，当电场与磁场的夹角为9 0 。 时，称之为横向磁电阻效应，记为岛。与纵向磁场相比，在横向磁场的作用下载 流子运动发生偏移，从而增加散射概率 2 3 1 ，如图2 1 所示。而这两个效应的电阻 率通常满足九 岛 p o 的关系。 第2 章g m r 效应的产生机理及制备 ( a ) 纵向磁场下的传导电子运动 ( a ) c a r d e rm o v e m e n tu n d e rl o n g i t u d i n a lm a g n e t i cf i e l d 横向磁场下的传导电子运动 ( b ) c a r d e rm o v e m e n tu n d e rt r a n s v e r s em a g n e t i cf i e l d 图2 1 两种磁场下的传导电子运动 f i g2 - 1c a r r i e rm o v e m e n tu n d e rt w ok i i l d sm a g n e t i cf i e l d 十九世纪中期，帆o m s o n 发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应 ( a n i s o t r o p i cm a g n e t o - r e s i s t a n c e ，a m r ) 1 2 + i 。其主要表现为当磁场逐渐增加时，铁磁 体内在电阻会出现自发的各向异性，这与电阻、磁场以及电流三者的相对取向有 直接关系。a m r 值伴随磁化的逐渐取向而变化，并且当m 沿磁场方向完全取向化 时趋于饱和。其饱和值取决于取向夹角的大小【2 5 l ，如图2 - 2 所示。铁磁体磁电阻 是由三种不同机制共同作用的结果。这三种机制分别为自发电阻率各向异性、正 磁电阻效应、负磁电阻效应。当a m r 值饱和之后，由于受到洛伦兹力的作用而产 生的正磁电阻o ) 与负磁电阻( m r t 。根 第2 章g m r 效应的产生机理及制备 据电子运输理论，传导电子的散射几率正比于费米面附近的终态密度，即( 屏) 。 因此自旋向下的d 电子具有更大的散射截面和电刚3 2 ，3 3 1 。在铁磁金属中，根据公 1 式屏= 妻坍2 ，其中d 电子的有效质t , n 过大从而影响到费米速度，所以s 二 散射要弱于s - d 散射，进而说明了在s 电子在电子运输中占据主导地位。 n ( e ) e 图2 - 3 铁磁过渡金属的能带图 f i g2 - 3e n e r g yb a n dd i a g r a mo ff e r r o m a g n e t i ct r a n s i t i o nm e t a l 自旋电流的形成主要便依靠了以上理论所讲到的分裂效应。在能带分裂之后， 大多数的电子占据了自旋向上的子带；而仅有少数电子占据了自旋向下的子带， 即能带分裂效应。同时，自旋极化率p 可以用。 尸= n t - n ( 2 6 ) 吩+ 件 来描述。其中，n t ，仇分别为自旋向上、向下的载流子个数。特定的自旋极化载 流子的性质和能量状态与材料的性质有关。在高度自旋极化的电子流中，通常可 以观察到显著的g m r 效应。 电子统计分布的影响因素主要是电子碰撞，其主要表现在弛豫时间f 上。根据 黑龙江大学硕士学位论文 式2 7 可以得出f 与( 廓) 成正比【3 4 1 。窄能带并且具有高能态密度，这是过渡金属 常具有较高的电阻率的原因。如上所述，由于交换分裂效应的作用，会在费米等 能面上产生自旋向上和向下的两个子带，并且其能态密度不同。因此两种自旋取 向不同的电子具有不同的平均自由程五，也就是说，s d 散射是自旋相关散射。 。c o c i 圪1 2 m 屏 ( 2 - 7 ) 。c 了一l 口l 川口也f l z 。，) 勺勺 。 图2 4 给出了过渡金属f e ，c o 以及n i 的电子能带密度曲线【3 5 】。不难看出f e 中自旋取向不同的电子态密度要靠近一些；相反c o 和n i 则相对来说较远。所以， 从理论上讲，虽然这三种过渡金属都具有g m r 效应，f e 较后两者要弱一些。 eeeeee j l ) 3 。ij lljl jl 0 ：(o 3 5(1 3 5 o j l1 3 、 第2 章g m r 效应的产生机理及制备 比率，即f m 骤减，导致电阻率大幅度增加。随后，为弄清铁磁性和非铁磁性过 渡金属的区别，他发现在低于居里温度t c 下，在大多数散射事件中，载流子的自 旋方向保持不变。这是因为在低温下，使自旋向上和自旋向下混合的自旋波，并 没有被强烈的激活，所以自旋向上和自旋向下的载流子可以表示为沿着传导的两 个平行路径，因此即使受到s d 散射时，其运动方向也基本与膜面平行。 在多层膜g m p 中，传输电子被分为自旋向上和向下两种，因此这两类自旋电 子分别产生了两种电流，并且相互并联【3 7 1 。这使得多层膜g m r 中的总体电阻为这 两种电流所并联的电阻之和，即电流双通道模型。自旋向上与向下的电子所产生 的电阻率分别记为所2 ，见2 。电阻率是声子、杂质、s - d 散射以及其他一些因素 的总和，由于两种自旋取向的电子在费米等能面附近的能态密度不等，所以两种 取向的电子所产生的电阻率也不相同【3 8 捌，即屏见。 t 晨事铁曩俄t 晨 红红 22 红 2 2 ( a ) 平行 ( a ) p a r a l l e l 姣毫晨事簟e 酬i 铁童屡 垒红 2 2 红红 22 c o ) 反平行 ( ”a n f i p a r a l l e l 图2 5 相邻铁磁层中电子自旋相关散射示意图及等效电路 f i g2 - 5a d j a c e n tf e r r o m a g n e t i cs p i n - d e p e n d e n ts c a t t e r i n go fe l e c t r o n sa n dt h ee q u i v a l e n t ，c i r c u i td i a m a m 黑龙江大学硕士学位论文 下面我们来讨论多层膜g m r 中磁化同向与逆向，即平行与反平行，情况下电 子散射状态。如图2 4 a 所示，当电子自旋方向与磁化方向平行时，由并联电阻公 式： 足= 睁i 1 ) = 最 ， l 墨坞j马+ 是 、。 可得出平行时的总电阻为 胪篇1 ( 2 - 9 ) 当相邻两铁磁层为反平行时，如图2 4 b ，总电阻为 所以多层膜g 脉的电阻率变化为 将式2 9 、2 1 0 带入得出 设 带入得出 p t 工- 华 ( 2 _ l o ) ? 。，。i ，：j i 揪：业 。：! ： 善。( 2 - 碡1 1 = ) 一专o 毳 一l 筹 口：盟 件 ：! 鱼二鱼z ( 2 1 2 ) 4 p t p 工 ( 2 - 1 3 ) m r ：鳟 2 - 1 4 ) 4 c r 由图2 4 可以看出，自旋方向与铁磁层磁化方向平行的电子便可以在这两层之 间自由穿越。在没有外场作用的情况下，相邻两铁磁层的磁化方向相反时。这时 第2 罩g m r 效应的产生机理及制备 两种自旋取向的电子无论在哪一个铁磁层都会发生散射，因此电阻率高；相反， 相邻两铁磁层的磁化方向相同时，与其方向平行的自旋电子可以在两铁磁层自由 穿梭，而另一种自旋反平行的电子则会被散射，此时电阻率小。这便揭示了多层 膜g m r 在由外场的作用下，具有负阻现象的原因。 由式2 1 4 不难看出口值对于g m r 效应具有很重要的影响。在普通金属中， 电子的散射与自旋没有关系，m p p t = 甩，所以电阻率不会因为外加磁场而改变。 在过渡金属中，当温度低于居里温度时，由能带结构决定了所与凡的大小。表2 - l 给出了不同的铁磁合金口值。 表2 1 铁磁合金的a 值 t a b l e2 - 1 位v a l u eo ff e r r o m a g n e t i ca l l o y s 2 2 4 多层膜g m r 效应的理论分析 有关多层膜g m r 的机理最先由c a m l e y 和b a r n a s 4 l 】做出了唯象解释。多层膜 系的电子运输与块体不同，应考虑到表面和界面散射的贡献。假定波尔兹曼运输 方程仍然适用于人工晶格，并满足界面的边界条件求解。传导电子在界面将受到 散射，部分被反射，这里用漫反射系数d 来表示；部分穿透磁层，这里用透射系 数t 表示。考虑到当传导电子的自旋与磁层的磁矩反平行时电阻最大，平行时意 味着在此多层膜内电子的散射为自旋相关散射，故引入自旋相关的界面和体散射 系数。考虑到多层膜的电阻率比单一的三层结构g m r 大得多，并且从室温降至液 氮温度时电阻率的变化要增加l 2 倍，表明电子平均自由程与膜厚的相对比值对 g m r 效应有影响。 黑龙江大学硕士学位论文 - - 萱i i i i i 宣i 宣i i i 宣 - - 置i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i ii i i i i i i 宣i i 宣 基于f u c h s s o n d h e i m e r 的唯象理论 4 2 1 ，并假定界面粗糙性产生了类似于f e c r 合金中杂质自旋相关的漫反射。经过计算之后，磁性多层膜的电子便可以通过漫 散射参量d = l t 和界面漫散射非对称因子= 4 d , 来进行分析。由于交换作 用导致3 d 能带的分裂，所以两个自旋取向的3 d 电子在费米能级的等能面附近具 有不同的能态密度，这是磁层内的散射。这里假设磁层内电子的平均自由程以及 体散射系数也是自选相关的，用5 来表示：漫散射参量d 与界面粗糙度有关，用 ，= d + d 来表示。 图2 - 6 三层膜结构最大约化磁电阻与d t 和n 的关系曲线 f i g2 - 6t h r e e - l a y e rm e m b r a n es t r u c t u r et h em o s t a b o u tt h em a g n e t i cr e s i s t a n c eo f t h e c u l n e na n d d t 通过引述以上参量，变科技与波尔兹曼运输方程对多层膜g m r 的电导进行计 算。首先考虑单一的三明治结构，如图2 - 6 所示。在每个区域波尔兹曼方程都可以 化简成之于坐标z 有关的偏微分方程 塑+ 上：堕e s 篮o j 0 ( 2 1 5 ) o窑。gn1n - 一十_ 一；一一 i o j j 如q 他饥 、。 式中，五为平衡态分布函数；g 为由于散射和沿x 方向的外电场导致对分布函 数的修正量。划分八b ，c ，d 四个区域，分别计算自旋向上和向下以及电子向右和 向左运动对g 值的贡献。 帖 舛 眈 o q 0 0 d 例如，向左运动的电子在区域a 的分布函数g 为 g = g “( 匕，z ) + g j 。( 屹，z ) ( 2 - 1 6 ) 同样，向右运动的电子的分布函数为 g = g a - t ( 匕，z ) + 既上( 匕，z ) ( 2 - 1 7 ) g , 4 土t 与岛“的解分别为 砒力= 等卦坞唧( 制 c 寸e e ra f o 坞唧( 剽 缈 在其他区域上分布函数的解具有相同的形式。 通过边界条件估算各区域的系数。在三明治结构的外表面，离开表面的电子 分布函数g 等于撞击表面相同自旋电子的分布函数g 乘以镜面反射时间的几率 r o ，因此有 当z = 而时 髟+ t = r 鼠- t ( 2 2 0 ) 当z = + 6 时 g z , - t = g o g z h t ( 2 - 2 1 ) 自旋向下电子的方程也于与此大体相同。 在f e ，c r 界面，对给定自选的电子，离开界面的分布函数g 包含两种自旋取向 的几率和两种取向的透射几率。故可以求出在z = - a ，自旋向上的电子分布函数 邑一t = 耳踩t + 肆岛+ t ( 2 - 2 2 ) g b + t = 珥+ t + 肆9 0(2-23)ga- t 2 3 ) + t = l t + t + 岛 u 次方程对自旋向下的电子分布仍成立。 a 膜具有自旋向上的电子，当进入d 膜后，将具有一定的几率成为两种自旋 取向的其中之一。相应地可以求出不同自旋取向的电子在不同区域的分布函数g ， 黑龙江大掌硕士学位论文 故可以求出电流密度。 ，( z ) = n g ( 匕，z ) 咖 ( 2 - 2 4 ) 2 2 5 白旋阀多层膜g m r 在前两章里介绍到的多层膜g m r 虽然具有很高的负阻效应，但其很强的反铁 磁耦合效应却导致了很高的饱和磁场h s 。若将多层膜g m p , 应用到传感器或电路 等检测工具上时，还要为其单独配备一个1 2 t 的强磁体，此时其具有超高的负阻 效应这一优也就不那么明显了。另外，磁场灵敏度 s = 而a r ( 2 2 5 ) r 龌 、。 因此日。越大磁场灵敏度就会越小。因此多层膜g m r 的磁场灵敏度远小于各向异 性铁磁体。之后，又有人利用层间交换耦合现象来提高传感器的灵敏度，但最终 效果都不是很理想。这时，人们便着手于新型g m r 的研究，因此出现了自旋阀多 层膜g m r 。 二十一世纪初，d i e n y 等研制出了一种新型的多层膜g m r ，即自旋阀多层膜 g m r 4 3 1 。该g m r 具有很低的h s ，因此也同样具有了很高的s 。 ( a ) 无外场时 ( a ) w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d 自由层啼 季磁性导体层 被固定铁磁层 反铁磁层 ( b ) 有外场时 ( b ) u n d e rm a g n e t i cf i e l d 图2 - 7 自旋阀多层膜g m r 结构示意图 f i g2 - 7s u u c u n ed i a g r a mo fs p i n - v a l v em u l t i l a y e rg m r 如图2 7 所示，自旋阀多层膜g m r 的结构分为四个层。为了方便叙述，这里 从上至下将其定为层l 层4 。层l 为铁磁层，当有外场作用时，它的磁化方向会 第2 章g m r 效应的产生机理及制备 发生改变。层2 为不具有磁性的导体，它在这里起到隔离作用。层3 为铁磁层； 层4 为反铁磁层。由于层4 与层3 之间的交换耦合作用使得层3 的磁化方向固定， 不会因外场的作用而改变，由于层2 的存在，使得层1 与层3 之间退耦合，因此 层l 会因一很小的外场而改变磁化方向。如图2 6 b 所示，当存在外界磁场时，层 1 的磁化取向发生了变化，而层3 由于下面的反铁磁层的固定而不会发生变化，这 就出现了相邻两铁磁层的磁化方向由平行到反平行的变化，由于电子的散射机理 自旋阀多层膜g i v i r 会分别出现高电阻状态和低电阻状态。 2 3 自旋阀多层膜g m r 的制备 理论与实践是相辅相成的，g m r 效应也不例外。自从上个世纪8 0 年代末期 g m r 效应的发现至今，多层膜( m 瓜有着非常迅速的进展，这与薄膜制备技术的 发展是密不可分的。现有的技术手段主要分为两类： l 、蒸镀工艺：电子枪加热蒸镀、分子束外延等。 2 、溅射工艺：高频溅射、二极溅射、三极溅射、磁控溅射等。 制备c o c u c o 自旋阀多层膜g m r 的工艺流程m ，如图2 6 所示。不难看出 工艺流程中的重点便是金属掩模板的制作与多层膜溅射。 图2 - gt 艺流程图 f i g2 - gd i a g r a mo fp r e p a r a t i o np r o c e s s 黑龙江大学硕士学位论文 2 3 1 金属掩模板 图2 - 9 金属掩模板制作流程 f i g 2 - 9p r e p a r a t i o np r o c e s so f m e t a lm a s k 金属掩模板的制备流程如图所示。首先在c u 板表面涂上一层均匀、厚度适当 的光刻胶。通常令c u 板旋转，通过离心作用使得光刻胶能均匀的铺在其表面。前 烘是为了烘干光刻胶内的液体，使其更具有粘性。接下来利用光法学反应改变未 被遮挡部分的光刻胶性质，从而能溶于显影液中。至此我们已制备出与预期图案 相同的保护膜，为了提高保护膜的抗腐蚀性，需再将其烘烤一段时间，即坚膜。 最后将c u 板放入调配好的腐蚀液中进行腐蚀。最终得到磁控溅射所需的金属掩模 板。 2 3 2 磁控溅射 使用溅射方法制备薄膜要追溯1 8 5 8 年，英国学者首次发现了溅射现象，随后 德国的科学家也发现了此现象【4 5 】。在接下来的1 0 0 年内，溅射技术发展较为缓慢 直到1 9 5 5 年，w e h n e r 在研究过程中发现了高频溅射技术 4 6 1 ，从此溅射技术开始 了迅猛的发展。直到现今，溅射技术已经成为薄膜工艺中不可缺少的工艺手段。 第2 章g m r 效应的产生机理及制备 底 i 删 一、v a i o - 一 砺心形三心 。 ：，。搿 ， 攀i 辩i ；i 搿 罄：* ? 嚣j ：嚣* ? * 黪；蓦羔 蕤 粼囊蕤 ： ：一 ： 辩。 “r j i 氍：i ：sl蕤囊鬃= ：i ：麟。霹 、 陵“。 。囊：s ： 靶材 毒 图2 - 1 0 磁控溅射工作原理 f i g2 1 0p r i n c i p l eo f m a g n e t r o ns p u t t e r i n g 用具有较高能量的粒子撞击样品表面时，撞击粒子与样品表面的原子会发生 能量交换，若样品表面原子所获得的能量高于周围原子所产生的势垒，则样品表 面原子会脱离样品表面，这种现象称之为溅射。磁控溅射具有高速低温的特性， 其工作原理如图2 1 0 所示。溅射室内充满惰性气体a r ，衬底与靶材分别加有正负 高电压。在正负电极高压的作用下室内的被电离，电离出的a r + 离子则向靶材 方向加速运动，直至与靶材表面发生碰撞产生溅射。由于磁场雪的存在，使得电 离出的电子受到洛伦兹力的影响沿嚣雪的方向成螺旋轨迹运动并被束缚在靶材 附近的区域内，这使得该区域内的m 被大量电离，同样会产生更多的肘离子去 撞击靶材表面，使得溅射速率加快。与此同时，溅射出的靶材离子也会受到洛伦 兹力的影响，沿螺旋轨迹向衬底方向运动，这就大大的避免了高速离子撞击衬底 所产生的高温【4 7 , 4 8 , 4 9 。 黑龙江大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章主要对g m r 效应的产生机理进行阐述，通过引入双通道电流模型来说明 在多层膜g l v i r 上所产生的负阻效应。并对自旋阀多层膜g m r 的制备工艺流程做 了简单的阐述。 由以上几节的分析我们不难看出若想使多层膜元件产生g m r 效应，应满足以 下几点： 1 、多层膜结构中的自旋电子的散射机制必须是自旋相关散射，无论是在膜中 还是在膜与膜的接触面上。 2 、膜厚要小于自旋电子的平均自由程，这样电子才能无阻碍的穿梭于相邻的 铁磁层中，从而完成了g m r 的电阻率由高到低的转变。 第3 章基于g m r 的地磁定向系统电路设计 第3 章基于g m r 的地磁定向系统电路设计 3 1 整体结构 图3 - 1 整体结构框图 ， f i g3 - 1t h eo v e r a l lb l o c kd i a g r a m 本设计的电路结构由单片机最小系统、步进电机驱动器、步进电机、g m r 传 感器、d a 转换以及l c d 显示屏所组成，如图3 1 所示。由单片机作为信号控制 及接收端，所选用的芯片为a t 8 9 c 5 1 。驱动步进电机所需要的信号脉冲由单片机 生成，通过驱动器将脉冲信号放大从而使步进电机转动。步进电机带动g m r 传感 器做圆周运动，这时g m r 传感器与地磁的取向会发生变化，因此输出电压会发生 微小的变化，输出曲线在理论上呈正弦波形。通过放大电路对输出电压放大，然 后由a d 转换器将放大后的信号转换为数字量反馈给m c u 进行处理，最终在l c d 模块上进行显示。 3 2 单片机电路 3 2 1 单片机管脚功能 本设计采用目前应用比较广泛的美国a t m e l 公司所生产的a t 8 9 c 5 1 单片机 作为主控单元。其内部集成8 位中央处理器、4 k b y t e s 可擦写存储器、1 2 8 k b y t e s 黑龙江大学硕士学位论文 i ii i_ 随机存储器，配有4 x 8 个输入输出接口、两个1 6 位定时计数器等例。 p 1 0 p 0 0 p i 1 p 0 1 p 1 2 p 0 2 p 1 3 p 0 3 p 1 4 p 0 4 p15p05 p i 6 p 0 6 p 1 7 p 0 7 i n t l p 3 2p 2 o i n t 2 伊3 3p 2 1 t l p 3 4 a t 8 9 c 51 p p