（物理电子学专业论文）各向异性磁电阻传感器的研究.pdf

摘要摘要各向异性磁电阻( a m r ) 传感器是近年来磁敏传感器的研究重点之一。a m r传感器是利用微电子、微机械加工和薄膜技术将b a r b e r 电极和敏感薄膜集成一体的新型磁敏元件，具有微型化、高灵敏度、低功耗、易集成、易批量生产等优点。本文主要研究a m r 薄膜的制备、薄膜型磁电阻单元的优化、a m r 单元制备过程中的工艺问题、测试系统的制作与a m r 单元的性能测试。采用磁控溅射方法制备a m r 薄膜。根据现有溅射系统的特点自行设计了能够产生均匀诱导磁场的基片底座，在此基础上制得了最大磁电阻相对变化率达到2 8 的薄膜。并通过对于工艺条件的摸索，得到了薄膜磁电阻随基片温度及溅射功率的变化规律，实现了工艺参数的优化。利用a n s y s 对a m r 传感器不同取向的b a r b e r 电极进行分析和计算，得到了不同取向b a r b e r 电极的磁电阻相对变化率随归一化磁场的变化曲线，结果表明薄膜磁电阻条宽度为b a r b e r 电极间距两倍时，b a r b e r 电极与磁电阻条长度方向夹角取5 0 。的传感器具有较好的输出对称性。为a m r 传感器输出曲线的对称性，优化a m r 传感器性能提供了理论依据。通过对传感器单元制备工艺的不断摸索，解决了工艺过程中磁电阻条腐蚀、b a r b e r 图形光刻与磁电阻单元制备各阶段的表面处理等关键的工艺问题，提高了单元器件制备的成品率。自制了传感器单元的测试系统并对传感器单元进行t n 试。测试结果表明，本文研制的a m r 传感器试样具有良好的输出线性与较大的线性范围。关键词各向异性磁电阻传感器，磁电阻薄膜，有限元方法，输出特性第l 页垒! ! 翌! !r e s e a r c ho na n i s o t r o p i em a g n e t o r e s i s t i v es e n s o ra b s t a c tc h e ny a n ( p h y s i c a le l e c t r o n i c s )d i r e c t e db yp r o f l ij i a n p i n gr e c e n t l y , t h ea n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s t i v e ( a m r ) s e n s o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a g n e t i cf i e l ds e n s o r si nt h ef i e l d t h ea m rs e n s o li nw h i c hb a r b e r - p o l ea n da m rt h i nf i l ma r ei n t e g r a t e d ，i sf a b r i c a t e dt h r o u g hm i c r o e l e c t r o n i c ，m i c r o m a c h i n i n ga n dt h i nf i l mt e c h n o l o g i e s i ti sad e v i c eo fn e wg e n e r a t i o nt h a th a st h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，h i g hs e n s i t i v i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s eo fi n t e g r a t i o na n db a t c hp r o d u c t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ep r o c e s so fa m rt h i nf i l ma n ds e n s o rp r e p a r a t i o ni ss t u d i e d ，t h et e s ts y s t e mi se s t a b l i s h e d ，t h eo u t p u tp r o p e r t i e sa l em e a s u r e da n dt h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo f t h e a m rs e n s o ri so p t i m i z e d t oo b t a i ni n d u c i n gm a g n e t i cf i e l di nt h es p u t t e r i n ge q u i p m e n t ，as p e c i a ls u b s t r a t eh o l d e rh a sb e e nd e s i g n e da n dt h ea m rf i l mw h o s ea r rr e a c h e s2 8 h a sb e e no b t a i n e d b yr e s e a r c h i n go nt h ep r e p a r a t i o np r o c e s s ，t h ed e p e n d e n c eo fa r m ro nt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ea n ds p u t t e r i n gp o w e rw a sf o u n da n dt h e r e b yt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d a n s y si su s e dt od e v e l o pa ne l e c t r i cf i e l dm o d e lt oa n a l y z et h eb a r b e r - p o l ew i t hd i f f e r e n td i r e c t i o ni na na m rs e n s o r t h e nt h ec h i v e so ft h er e s i s t a n c e sr e l a t i v er a t eo fc h a n g ev e r s u sn o r m a l i z e dm a g n e t i cf i e l da r eg i v e n ，w h i c hs h o w st h a tw h e nt h ew i d t ho fa m rr e s i s t o rs t r i pi sd o u b l eo ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h eb a r b e r - p o l e ，t h eo u t p u to f5 0 。b a r b e r - p o l es e n s o ri so fg o o ds y m m e t r y t h er e s u l tp r o v i d e st h et h e o r e t i cb a s i st oi m p r o v et h es y m m e t r yo ft h eo u t p u tc u r v eo ft h es e n s o rw i t hb a r b e r - p o l e sa n do p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea m rs e n s o ew i t hal o to fe x p e r i m e n t s ，t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h ep r o c e s s ，e g ，t h ee t c h i n go f a m rr e s i s t o rs t r i p ，t h ep h o t o e t c h i n go f b a r b e r - p o l ea n dt h es u r f a c ec l e a ni n第1 1 页t h ed i f f e r e n ts t a g eo fc e l lp r e p a r a t i o n ，e t c w e r ef i n a l l ys o l v e d ，w h i c hb e n e f i t sr a i s i n gt h er a t eo f f i n i s h e dp r o d u a s at e s ts y s t e mw a sc o n s t r u c t e do u r s e l v e sa n dt h eo u t p u tc u r v e so ft h es e n s o rw e r em e a s u r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o ri so ft h eg o o dl i n e a r i t ya n dw i d el i n e a rr a n g e k e y w o r d s ：a n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o la m rt h i nf i l m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，o u t p u tp e r f o r m a n c e销1 1 1 页研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：诒，讯日期：血。，g 、1 2关于学位论文使用权的说明本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其中包括：电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；电子所可允许学位论文被查阅或借阅；电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；电子所可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。签名：瑰丽导师签名：喜姒日期：2 凹孑f 7 日期：又一( 0 。l 乙第一章引言第一章引言1 1 磁敏传感器1 1 1 磁敏传感器的研究意义传感技术川是迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成了信息产业的三大支柱。传感技术直接影响到自动化系统和信息系统的水平，自动化技术水平越高，对传感器技术依赖程度越大。在现代信息社会中，人们为了推动社会生产力的发展，需要用传感器来检测许多非电量信息，如力、流量、速度、温度、湿度以及生物量等等。不难看出，传感技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术。因此，美国国防部将传感技术视为2 0 项关键技术之一，日本把传感技术列为国家重点发展6大核，t 7 技术之一，德国视传感技术为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感技术。磁敏传感器是传感器的一个重要组成部分，是一种接受磁信号，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置【2 1 。磁敏传感器最大的应用方向是无接触测量，在汽车、民用仪表等方面都有着广泛的应用。其测量的对象包括电流，线性速率，转速，角度，位置，位移等多种物理量。在大规模集成电路技术( i c ) 和微机电技术( m e m s ) 的支持下，传感器的发展【1 】出现了“多样、新型、集成、智能”的趋势。新型的磁敏传感器也是这一发展趋势中的重要一环。新型的敏感材料、原理与工艺正使磁敏传感器朝着更大测量范围，更高的测量精度及可靠性，集成化、微型化的方向发展。1 1 2 磁敏传感器的分类磁敏传感器按其原理及设计可以分为电磁感应、磁通门、霍尔、a m r 、g m r等 2 5 】。电磁感应传感器利用法拉第定律，在变化的磁场中放置一个耦合线圈，通过测量线圈在运动场中的感生电压来测量磁场的变化，是己得到广泛应用的磁敏传第1 页各向异性磁r 乜阻传感器的研究感器之一。最常见的应用是作为触发红绿灯信号埋在道路中的电路回路。但体积大成本高，且只能用于测量变化的磁场。磁通门传感器同样是基于法拉第定律，通常是用两个铁磁材料制成的棒，也可以用一次或二次绕组绕成的环或圈。这两个杆用一次绕组缠绕，以相反方向产生驱动磁场。频率f 的交流电在一次绕组中流动，在驱动磁场的作用下两个杆的磁化处于相反方向。二次绕组用于测量两个杆产生的净磁通量。当沿着杆的轴线方向施加一个外部磁场时，其中的一个杆先于另一个杆磁性饱和。磁通门的输出是驱动频率f 的第二谐波。施加一个小磁场时，第二谐波的波幅与施加的磁场成正比。这类传感器非常灵敏，分辨率最低为l m o e ，可以测量直流或交流磁场。频率上限可达1 0 k h z 。但与电磁感应传感器类似，其尺寸较大，成本也较高。霍尔传感器探测的是磁感应强度大小而非磁通变化率，通常用于测量1 0 0 e至几千o e 的磁场强度，对强磁场的测量最为理想。其中最常见的霍尔传感器是半导体霍尔传感器，通常将放大、温度补偿及信号处理等电路都集成在一块芯片上，其输出电压信号与作用在霍尔元件上磁场的磁感应强度成正比。硅片中霍尔效应的灵敏度约为7 m v v o e ，在百分之几到几千的范围内是呈线性的，可测量的最小磁场约为1 0 e 。霍尔传感器的应用包括齿轮传感器、旋转位置传感器，电流传感器，键盘开关，磁强计和位置传感器等。其优点为成本低、尺寸小、线性度好；缺点是对外部压力敏感、低磁场时灵敏度低、温度稳定性较差。各向异性磁电阻( 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 ，简称a m r ) 效应通常发生在铁磁材料中。当施加的磁场垂直于铁磁材料中的电流时，电阻产生明显的变化。薄膜型的磁阻传感器是用标准半导体技术在硅片或其它基底上制备铁磁薄膜长条，厚度只有几百埃，宽度为几十微米，长度则从几百至几千微米不等。这类传感器的灵敏度约为半导体霍尔效应的1 0 0 倍，常用于弱磁场的测量。且a m r 敏感单元可对传感器切向磁场响应，不同于霍尔传感器只能对法向的磁场响应，使其能够应用于霍尔传感器无法使用的场合。巨磁电阻( g a i n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，简称g m r ) 效应在1 9 8 8 年才发现【4 】，它基于电子通过数层叠层中，非常薄的铁磁层和非铁磁层之间的界面散射。与a m r 效应相比g m r 效应因有着更大的磁电阻变化率而得名。g m r 效应的研究发展非常迅速，其基础和应用研究几乎齐头并进，以极快的速度将基础研究的成第2 页第一章引言果转化成商业的应用。其传感器能够测量微弱磁场，有着更大的测量范围及更广的应用面，呈现出了广阔的应用前景。但g m r 传感器的工艺较为复杂，成本也相对较高。1 2 各向异性磁电阻传感器1 2 i 各向异性磁电阻效应各向异性磁电阻效应6 。7 】从发现至今已经有一百多年的历史，但直到最近几十年它在实际应用中的价值刁被人所认识。早在1 8 5 6 年w i l l i a mt h o m s o n 就发现当铁磁金属磁化方向与电流方向平行时的电阻率与二者垂直时的电阻率有明显的差异【”，这种现象就是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 i v ee f f e c t ) 。现在的磁电阻元件通常是用真空镀膜的方法将磁电阻材料制成薄膜形式，导电情况是一个二维的问题。当电流通过这个薄膜的时候，如果有瞬时磁场的影响，薄膜上的小磁区很快会沿着磁化方向排列，电流和磁化方向之间的夹角变化就会引起磁电阻薄膜的电阻率的变化。磁化强度与电流方向平行时电阻率用肼表示，磁化强度与电流方向垂直时电阻率用n 表示，弱磁场作用下各向异性磁电阻材料的电阻率最大变化量为成= 所一n ，( 1 1 )相对变化率为口= 蛾岛，( 1 2 )其中岛，为平均电阻率，则l2p a v 2 j p h + j p l 。没有外磁场作用时磁电阻材料的电阻率用风表示有口= a p m , c o ，第3 页( i 3 )由于岛与成，差别很小，近似( 1 4 )各向异性磁电阻传感器的研究岛= ：1p ，+ = 2 p l 。( 1 5 )岛2 j 所+ 了n 。j当各向异性磁电阻材料的磁化强度与电流方向夹角为口时，其电阻率p ( o ) 满足p ( p ) = p j s i n 2 p + 所c o s 2 p = p 成s i n 2 0 。( 1 6 )1 2 2 薄膜磁电阻元件图1 1 薄膜磁电阻元件工作原理薄膜磁电阻元件包括两个部分，磁电阻薄膜部分和电极部分8 1 。电极制作在薄膜两端。原理如图1 1 所示。实际应用时，磁电阻条的长度比宽度大得多，保证了电流沿长度方向x 方向流动。没有外加磁场时薄膜磁化强度沿长度取向，没有沿y 方向的分量。如果外加沿y 方向的磁场h ，磁化强度m 将向y 方向转动与x 轴形成a 角，此时m 有在y 方向的分量。h 越强，m 在y 方向的分量也就越大，角也越大，可以表示为口：s h i n 生( 1 7 )口=t 1 ，jh o式中，h o 为m 离开x 轴所需的磁场【6 7 i 。在没有外加磁场作用时，磁化强度与电流方向( x 方向) 平行。若外加磁场振幅不变，方向改变，则磁电阻元件的电阻随磁场的变化曲线7 j 【9 j 如图1 2 所示。第4 页第一章引言3o：j一 o爱墨，5t o25卜- 4 c , - l ot oo，02 0柚o , r l c i l 0图1 2 磁电阻元件的电阻随外加磁场强度的变化薄膜磁电阻元件具有以下的特点：在弱磁场作用下有较高的灵敏度磁电阻传感器通常用于测量1 9 0 e 到l o o e 的磁场，且磁场强度越小，电压随磁场强度的变化率越大，灵敏度也越高。灵敏度的方向特性当磁力线平行于磁性薄膜平面时，具有最高的灵敏度，而磁力线垂直于薄膜平面时灵敏度最低。使膜面与主要干扰磁场相垂直，可提高抗干扰能力，使膜面与待测磁场方向平行，可提高测试的灵敏度。饱和特性磁电阻元件的电阻相对变化率a p p o 随外加磁场h 的增大而增大。当h 大于饱和磁场强度h s 时，a p p o 不再增加，具有饱和特性。频率特性未加偏置磁场时，磁电阻传感器输出电压的频率是信号频率的2 倍，称为倍频特性。薄膜磁电阻由于厚度很小，涡流很小，具有良好的高频响应特性。温度特性将磁电阻元件接成桥式电路，可使温度系数进一步降低。且薄膜磁电阻元件的一般温度特性符合线性变化规律，易于通过补偿来提高温度稳定性。，第5 页备向异住磁电阻传感器的研究1 2 3 各向异性磁电阻传感器的应用现状与发展前景各向异性磁电阻效应早在i8 5 6 年就已经被发现但直到一个世纪以后才。开始得到工程上的应用，而薄膜磁电阻传感器在7 0 年代中期微电子薄膜技术得到发展后刁开始出现【4 】o 虽然它的出现远比霍尔器件，电磁感应及磁通门等传感器晚，但由于各向异性磁电阻传感器有着功耗低、灵敏度高、体积小、噪声小、可靠性高及耐恶劣环境能力强等优点，使其在磁敏传感器中所占的比重越来越高，应用领域也正在逐步扩大。a m r 传感器首先在磁记录磁头【l o - 川中成功地得到大量应用。以硬盘的磁头为例，9 0 年代中期，希捷公司推出了使用a m r 磁头的硬盘，用薄膜磁电阻材料作为读取元件。在有磁场存在的情况下，薄膜的电阻会随磁场而变化，进而产生很强的信号，其信噪比与灵敏度远大于原来的电感应式磁头，且其输出信号与转速无关，是读取高密度磁记录信号的理想手段。磁性旋转编码器【1 2 1 是a m r 传感器的又一主要应用。磁性编码器的结构如图l - 3 所示，主要由磁电阻元件、磁鼓及处理电路组成。与光学编码器相比，其结构简单，成本低，抗恶劣环境能力强，易安装组合，因此在高精度测量和控制领域中的应用不断增加。图1 3 磁性编码器结构h o n e y w e l l 公司及p h i l i p s 公司的转速传感器 1 3 - 15 1 也是a m r 传感器实用化的典型例子。其工作原理如图1 4 所示，转速测量的目标可以为一般的齿轮( 铁磁物质) ，甚至是随被测转动工件转动的一个螺杆也可以提供转速的标记信第6 页第一章引盲号。当齿轮沿y 轴方向转动时，由于气隙( 传感器与齿轮的间隙) 处的磁力线发生变化，使传感器磁路中的电阻也随之改变，从而在传感器上产生相应的电压变化。目前这种传感器已广泛应用于汽车的a b s 系统中。v+ m a x0睡。瞟瞎船t图1 4 转速传感器的工作原理各向异性磁电阻传感器同样广泛应用于磁场测量、电子罗盘1 5 。6 1 、交通探测 1 7 1 、电流测量【1 8 l 等许多不同的领域，成功取代了一些传统的传感器。近年来，由于g m r 的迅速发展，以其磁电阻变化率大的优点，取代了a m r在磁存储方面的应用。但同时可以看到，a m r 单元单层膜的制各工艺较为简单，而考虑到材料的磁致伸缩效应及耐高温性能等特点，a m r 传感器仍然有很大的应用空间。 1 9 - 2 0 11 3 本文的主要研究工作及进展本文根据目前磁敏传感器的发展趋势，选择各向异性磁电阻薄膜型传感器作为主要研究内容。利用自行设计的基片底座在原有溅射设备中添加了均匀的诱导磁场，并在背景真空度小于5 x 1 0 。6 t o r r ，溅射氩气压为5 m t o r r ，溅射功率为6 0 3 6 0 w ，基底温度为室温1 2 0 c 的条件下，制备出最大磁电阻相对变化率a r m r 高达2 8 的磁电阻薄膜。通过在不同基片温度与溅射功率条件下制备磁电阻薄膜，得到了第7 页各向异性磁电阻传感器的研究薄膜的l ! k e 尺随这两个工艺参数的变化规律。m通过磁电阻薄膜形状及尺寸的分析设计了传感器单元磁电阻图形；根据电流偏置及电桥结构等特点给出了电极图形的设计。同时利用a n s y s 软件对各向异性磁电阻传感器不同取向的b a r b e r 电极进行了分析和计算，得到了薄膜磁电阻条宽度为b a r b e r 电极间距两倍时，b a r b e r 电极与磁电阻条长度方向夹角取5 0 。的传感器具有较好的输出对称性的结果。实验结果验证了模拟分析的可行性，表明有限元方法是一种有效的设计手段，能为优化b a r b e r 电极和改善传感器性能提供理论依据。讨论和总结了各向异性薄膜磁电阻单元制备过程及其中的关键工艺。在磁电阻单元的制备过程中解决了磁电阻条腐蚀、b a r b e r 电极光刻及磁电阻单元制备各阶段的表面处理等关键工艺步骤中的问题，提高了磁电阻单元的成品率。利用单片机、压控电流源、亥姆霍兹线圈、恒流源等自制了a m r 传感器单元的测试系统，对封装后的传感器单元进行了测试。测试结果表明本文研制的a m r 传感器试样具有着良好线性与较大的线性范围；4 5 。和5 2 。b a r b e r 电极传感器的输出曲线与其非对称因子的测量结果与模拟结果十分相近。测试中还观察到了桥臂电阻对传感器输出曲线的影响及传感器易磁化轴跳变的现象。本文详细阐述了从薄膜制备，结构设计，传感器单元制备工艺到单元特性测试等一系列的研究工作，其中：第二章，磁电阻薄膜的研究：第三章，各向异性磁电阻传感器的结构设计与优化；第四章，磁电阻单元的制备；第五章，测试系统及传感器单元性能。第8 页第一章引言参考文献 i 】刘迎春，叶湘滨传感器原理设计与应用长沙：国防科技大学出版社，2 0 0 2 7 2 孙仁涛磁敏传感器国内外概况及其应用中国东北第九届国际工业博览会自动化学会研讨会报道 3 张葵葵，阳小良车用转速传感器的发展现状汽车电器2 0 0 5 1 1 4 m j c a r u s o ，t b r a t l a n d ，“an e wp e r s p e c t i v eo nm a g n e t i cf i e l ds e n s i n g s e n s o r s ，v 0 1 】5 ，n o 12 ( d e c e m b e r19 9 8 ) 5 l e n z j “ar e v i e wo fm a g n e t i cs e n s o r s ”p r o c e e d i n g so ft h ei e e e ，v 0 1 7 8 ，n o 6 ，j u n e1 9 9 0 ，p a g e9 7 3 9 8 9 6 过璧君薄膜磁阻传感器福建科学技术出版社，1 9 9 3 6 7 】b b p a n t ， m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r s ”，s c i e n t i f i ch o n e y w e l l e r , v 0 1 8 ，n o i ，( f a l ll9 8 7 ) 2 9 3 4 8 tkd e y , ar a ya n dskg h a t a k ，an o v e lm e t h o df o rs e n s i n gr o t a t i o n a ls p e e d ，l i n e a rd i s p l a c e m e n ta n dc u r r e n tu s i n gs u p e r c o n d u c t i n gb p s c c om a g n e t i cs e n s o r , b u l l m a t e r s c i ，v 0 1 2 5 ，n o 6 ，n o v e m b e r2 0 0 2 ，p p 4 6 3 4 6 7 i n d i a na c a d e m yo f s c i e n c e s 9 b e j o n e s ，j r w b s p i l l m a n ，“t h i nf i l mm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r s ”，s t u m a n s k i ，2 0 0 1 1 0 任清褒，朱维婷磁电阻材料及其应用的研究进展材料科学与工程，2 0 0 2 ，2 1 1 】蔡建旺，赵见高，詹文山，沈保根磁电子学中的若干问题物理学进展v 0 1 1 7 ，n o 2j u n e ，1 9 9 7 1 2 】王海成等高分辨率磁旋转编码器磁鼓材料的研制北京科技大学学报第2 7卷，第3 期，2 0 0 5 年6 月【1 3 a p p l i c a t i o nn o t e 一r o t a t i o n a ls p e e ds e n s o r sk m l l 5 1 6 ”p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 1 4 c p o t r e u t l e r , m a g n e t i cs e n s o r sf o ra u t o m o t i v ea p p l i c a t i o n s ，s e n s o ra n da c t u a t o r s a 9 1 ( 2 0 0 1 ) 2 - 6 15 m i c h a e lj c a r u s o ，l u c k ys w i t h a n a w a s a m ，v e h i c l ed e t e c t i o na n dc o m p a s s第9 页各向异性磁电阻传感器的研究a p p l i c a t i o n su s i n ga m rm a g n e t i cs e n s o r s r 、】州s s e c h o n e y w e l l c o m 16 m j c a r u s o ，“a p p l i c a t i o no fm a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r si nn a v i g a t i o ns y s t e m s ”s e n s o r sa n d a c t u a t o r s1 9 9 7 ，s a es p 一1 2 2 0 ，( f e b r u a r y1 9 9 7 ) 1 5 2 1 1 7 d e r kj a na d e l e r h o f , w i mg e v e n ，n e wp o s i t i o nd e t e c t o r sb a s e do na m rs e n s o r s ，s e n s o r sa n da c t u a t o r s8 5 2 0 0 04 8 5 3 18 m a g n e t i cc u r r e n ts e n s i n g ，w w w s s e c h o n e y w e l l c o r n 1 9 蔡炳初磁记录技术中的薄膜磁性材料金属热处理学报，1 9 9 6 ，5 2 0 】周勋，梁冰清，唐云俊，王荫君，樊金华，陈明伦，莫泽瑞磁电阻效应的研究进展物理实验，2 0 0 0 ，9第1 0 页第二章磁电阻薄膜研究第二章磁电阻薄膜研究2 1 引言目前的a m r 传感器正在向小型化的方向发展，这就要求作为敏感元件的磁电阻薄膜必须做得很薄，同时磁电阻相对变化率h p p 则必须尽可能大，可以说薄膜的性能很大程度上决定了整个传感器的性能，而研究工艺参数对磁电阻薄膜的性能影响是非常必要的。影响a m r 磁电阻薄膜性能的工艺参数 2 1 主要包括：薄膜厚度、基片温度、溅射功率等。其中薄膜厚度2 弓】不仅对薄膜的性能有影响，还对薄膜电阻的大小有着决定性的作用。随着磁电阻薄膜厚度的增加，磁电阻相对变化率会提高，而薄膜的电阻则会下降。磁电阻的变化率决定了敏感薄膜的性能，但不考虑敏感薄膜的电阻值，同样无法得到良好的传感器输出信号。考虑到膜厚超过一定程度后，其对电阻值的影响大于对磁电阻变化率的影响，在本章的实验中选择2 0 0 a 作为磁电阻薄膜厚度，并在此基础上进行工艺参数的优化。本章将讨论薄膜的制备方法、薄膜的性能以及在制备过程中几种工艺参数对磁电阻薄膜特性的影响。2 2 实验2 2 1 靶材的选择具有各向异性磁电阻效应的金属主要是以f e 、n i 、c o 为主要成分的合金，而不含这些元素的强磁性合金的磁电阻效应极小【6 o 各种实验数据表明，n i f e 、n i - c o 系合金的p p 值较高，适于实用化。而由于n i - f e 系合金具有较高的居里温度及较小的磁致伸缩系数，应用最为广泛，其中含n j 量为3 5 8 0 和其中加入了m o 、c u 、c r 等元素的铁磁材料称为坡莫合金”。而含n i 量达到8 0 左右时，坡莫合金的起始磁导率为3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 ，最大磁导率可达1 0 0 0 0 03 0 0 0 0 0 以上，矫顽力很低。本实验中选用的靶材是含量为8 0 6 n i ，1 9 4 f e 的坡莫合金。第1 i 页各向异性磁电阻传感器的研究2 2 2 薄膜制备装置磁电阻单元的敏感薄膜是由磁控溅射制备的。所使用镀膜设备是k u r tj l e s k e r 公司的a x x i s 型多功能镀膜机( 如图2 ，1 所示) 。镀膜机的本底真空度可达5x1 0 t o r r 。利用该系统，可以实现在不同气氛下、在不同温度的基底上用直流或射频溅射制备敏感薄膜。图2 1a x x i s 型多功能镀膜机磁电阻薄膜的各向异性磁电阻效应来源于薄膜制备时的外加磁场，布卢瓦在研究中发现蒸镀磁性薄膜时如果外加磁场，薄膜中将会感生以磁场方向为易磁化轴的单轴各向异性磁电阻效应【”，进步的研究也表明在溅射成膜时同样存在感生各向异性磁电阻效应。因此要制备高性能的磁电阻薄膜不仅需要较高的本底真空度，还必须在制备薄膜时外加一均匀诱导磁场，形成易磁化方向【9 】o 通过对于基片底座的设计，可以在现有设备中实现均匀的诱导磁场。第1 2 页第二章磁电阻薄膜研究图2 2 基片底座及磁铁示意图如图2 2 所示1 ”1 ，自行设计的基片底座由面板、圆环架以及底座组成。面板与圆环架及底座连接，是二者与溅射设备的中间环节，采用无磁不锈钢材料，保证面板对诱导磁场不产生影响。圆环架采用纯铁材料加工，一方面起到固定磁铁的作用，另一方面使磁力线在其中形成回路，保证两磁铁问形成均匀的磁场。硬铝材料的底座则作为承载基片的结构，设计尺寸时使基片的位置恰好处于磁铁的中间位置，保证基片表面磁场的均匀性。实验证明利用这一装置能有效地获得磁电阻薄膜溅射时所需的均匀诱导磁场，制得的各向异性磁电阻薄膜性能将在后面予以介绍。第1 3 页异向异性磁也驵传感器的研究2 2 3 薄膜测试系统图2 3 薄膜磁电阻效应测试系统框图实验中薄膜性能的测试时使用了物理所的薄膜磁电阻效应测试系统，其【l l 】框图如图2 3 所示。其中试样的电阻率是在室温条件下用非共线的四探针方法进行测量，磁场和电流方向都与薄膜平面平行。2 3 薄膜性能实验中，采用s i 作为基片，过渡层及保护层为厚度2 0 a 的t a 。背景真空度小于5 x 1 0 石t o r r ，溅射时氢气压为5 m t o r r ，坡莫合金靶的溅射功率在6 0 3 6 0 w范围内可调，基底温度在室温1 2 0 c 范围内可调，薄膜厚度通过不同溅射功率( 速率) 和时间来控制。实验中分别在s i 基片温度为室温、8 0 。c 和1 2 0 。c ，溅射速率为2 a s 和4 a s 的条件下制备了磁电阻薄膜样品。图2 4 图2 9 分别为几种薄膜样品磁电阻随外加磁场变化的曲线。由图可以看出最大磁电阻相对变化率均达到了2 5 以上，最高可以达到2 8 ：同时磁滞的影响相当小，达到了较高的水平。第1 4 页基t里占i 卜1，52 j墓1 je兰1 m占口j口jo s i t d图2 6 溅射温度为8 0 c ，速率为2 a s时薄膜磁电阻随外加磁场的变化曲线t jl j窖匿嚣t - o o l 图2 5 溅射温度为2 0 。c ，速率为4 a s 时薄膜磁电阻随外加磁场的 di ，j，妄日，_。4 ja do - t d图2 7 溅射温度为8 0 c ，速率为4 a s时薄膜磁电阻随外加磁场的变化曲 j2 禽5若里佃占口j柚d 0qq- 060 1 ：t e d 图2 8 溅射温度为1 2 0 。c ，速率为2 a s时薄膜磁电阻随外加磁场的变化曲线图2 9 溅射温度为1 2 0 c ，速率为4 a s时薄膜磁电阻随外加磁场的变化曲线尝试以普通载玻片作为基片，并在基片温度为8 0 。c ，溅射速率为4 砧s 的条件下制备了磁电阻薄膜。薄膜磁电阻随外加磁场的变化曲线如图2 1 0 所示，图第1 5 页查塑墨堡堂坠坐堡璺墅竺堕竺的右上角标注了两个最大磁电阻相对变化率的值。可以看到与硅基片的薄膜相比，其最大磁电阻相对变化率略有降低，且其磁滞效应较硅基片的薄膜明显。以载玻片作为基片时，由于其表面的光滑程度有所降低，因此可认为这种结果是合理的。n i t “o s t e d图2 1 0 以玻璃作为基片，溅射温度为1 2 0 。c ，溅射速率为2 a s 时薄膜磁电阻随j i - ；d 磁场的变化曲线2 4 工艺因素影响从图2 4 图2 9 可知，在不同的速率下薄膜最大磁电阻相对变化率随温度的变化趋势是一致的，其中8 0 时可以得到的如r 最大。而在不同的温度下最大磁电阻相对变化率随速率的变化趋势也是相同的，其中4 a s 时的最如r明显比2 k s 时的大。从以上结果可以初步看出溅射时工艺参数对薄膜性能的影响。下文将进一步讨论溅射时基片温度与功率( 速率) 对薄膜性能的影响。2 4 1 溅射时基片温度对薄膜性能的影响图2 1 1 为n i f e 层厚2 0 0 a ，溅射功率为3 0 0 w 时薄膜的各向异性磁电阻值随基片温度的变化曲线。在溅射基片温度为1 0 0 下制备的样品a r 。r 最高，而室温下制备的样品如r 最小。但两者相差很小，即只考虑溅射温度对器件如r 的影响时，可以忽略不计，完全可以在不加温的情况下制备出心r 较第1 6 页大的薄膜。一0j i 毫j 爱。二。二冀。：( ；是! j 、冀7 + 菇o ，：，臀l- = v i i 1 ，t 。 。+t 、v 。o + jo i i ，、f1 、”：7f 一。l：搿，j 器蹙0 醚该曩g 辫鍪蓐l i 露- ；。：警冀t o ? x ；i i 蛰i 口剿撼鬻礴；躐籀螽器蜷器毒裁j 霪舞、。溅霪篷活翁莲穗浏篙i x t ，_ ：? ：h hj “ j ；。一、。7 - ；gei 癌盼豁j t 稚j t * 。矧i ：薹。囊j 鬃鬟意o ：j 蠢毒蠢j 篡筝；j 藏每文：? t ；，。* 。要一j 誊i叠i 彰泸群醚；e 二嚣残譬、j 萝；i j 蘑薯一。算、一i 晦熬莓：警i 鼢；t 缕t4 j 冀。1 毫；。鬟捌瘴i 骧i 。；羹、妻# 、# 。：壁器囊? j 鬻j ，奎篱孽麓；鏊麓警ij ；i ；! 篓墓! 铡2 04 06 08 01 0 0基底温度图2 1 1 薄膜最大电阻相对变化率随基底温度的变化2 4 2 溅射功率对薄膜性能的影响2 2 02 7 03 2 03 7 04 2 0溅射功率图2 1 2 薄膜最大电阻相对变化率随溅射功率的变化曲线图2 1 2 为n i f e 层厚度为2 0 0 a ，溅射温度为室温时薄膜最大磁电阻相对变化率随溅射功率的变化曲线。其中在溅射功率约为3 0 0 w 情况下制备的样品幽。r 最高，而6 0 w 时制备样品的如r 最小，两者相差超过1 2 。由此可见溅射功率对薄膜的磁电阻相对变化率的影响很大。由于设备的限制，溅射功率达到3 6 0 w 时设备所施加的电流与电压均十分不稳，其最大变化幅度大于3 0 。第1 7 页盯拍蛎们眈虬“22222222瓣s锹靛罢受日|k曙蛎o弱卫坫j置2 置2 色2 夏2斛睾斟霞罂受脚k嚼再向异性磁电阻传感器的研究2 4 3 讨论磁电阻薄膜溅射时一般n i f e 的晶粒尺寸较大而粗糙度较小时，样品的a m r值较高；反之，晶粒尺寸较小，粗糙度较大时，样品a m r 值较低。可以解释如下：首先，由于晶界会对导电电子进行散射，而大晶粒使样品中的晶界减少，从而减弱电子散射，减小电阻r ，使r r 增加。其次，样品的粗糙度同样会影响电子散射。粗糙度小的表面对电子散射较弱，也会减小电阻r ，使剐r 增加。所以晶粒尺寸较大，表面粗糙度小的样品有较大的各向异性磁电阻。而实验中溅射时给基片加温，可以起到对基片再清洗的作用，使膜的附着力提高。溅射前的基片不免要吸附空气中的悬浮颗粒，在高真空下加热基片，可以使其上吸附的杂质颗粒被分解抽出真空室。另一方面，加热基片也可以有效地减少膜内晶粒间以及膜和基片之间的应力分布。而高温也给薄膜上的原子提供了能量，帮助其在基片的表面做扩散或漂移运动，从而改善薄膜表面的粗糙度，改善了磁电阻薄膜的磁阻特性。结合实验结果考虑，由于加热时不仅基片受到影响，溅射的设备与内部装置同样受到温度的影响，为保证磁铁性能，最高温度仅为1 2 0 ，以至于上述的效应都不够明显，这也就解释了实验中最大磁电阻相对变化率大致随温度的升高而提高，但总体其影响并不显著的特点。溅射时功率主要对溅射速率产生影响，溅射速率高的薄膜，含残余气体的分子量也要少，纯度较高，且晶体颗粒较大，这就决定了在通常情况下功率越大，磁电阻薄膜的性能也越好。上文中已提到，溅射功率达到3 6 0 w 时施加的电压与电流极不稳定，这决定了薄膜表面的粗糙度较3 0 0 w 时大了许多，也就说明了为什么在功率略有上升的情况下其最大磁电阻相对变化率反而下降了。而溅射功率与溅射速率大致成正比，因此溅射功率对于薄膜性能的影响要比溅射时的基片温度大得多。2 5 本章小结本章利用自行设计的基片底座在原有溅射设备中添加了均匀的诱导磁场。采用t a 作为过渡层和保护层，在背景真空度小于5 x 1 0 。6 t o r r ，溅射氩气压为5 m t o r r ，溅射功率为6 0 3 6 0 w ，基底温度为室温1 2 0 的条件下，制各了磁电阻薄膜。通过薄膜磁电阻效应的测试系统，得到了薄膜磁电阻随外加磁场的变化曲线，结第18 页第二章磁电阻薄膜研究果表明硅基底薄膜的最大磁电阻相对变化率a r m r 最高达2 8 ，以玻璃为基底的薄膜的a r 。r 也可达到2 5 以上。实验利用磁控溅射的方法制备了不同基片温度与溅射功率条件下的磁电阻薄膜，得到了现有条件下薄膜的心r 随这两个工艺参数变化的规律a第1 9 页嚣向异性磁电阻传感器的研究参考文献 1 赵洪辰，于广华，司红n i - ( 8 1 ) f e ( 1 9 ) 各向异性磁电阻薄膜的工艺和微结构的研究功能材料，2 0 0 3 ，5 2 过璧君薄膜磁阻传感器福建科学技术出版社，1 9 9 3 6 3 王志明，倪刚，徐庆余等n i 8 1 f e l 9 各向异性磁电阻第四届中国功能材料及其应用学术会议 4 f r e d e r i c kc w i l l i a m sj r ，e n m i t c h e l l ，as t u d yo fr e s i s t a n c ea n dm a g n e t o r e s i s t a n c ei nn i c k e r - i r o nt h i nf i l m s ”j a p a n e s ej o u r n e yo fa p p l i e dp h y s i c s ，v 0 1 7 ，n o 7 ，j u l y , 1 9 6 8 5 方光旦，宋庆山无屏蔽各向异性磁电阻传感器中国科学院计算技术研究所 6 吴兴惠敏感元器件及材料电子工业出版社1 9 9 2 7 7 近角聪信等编，韩俊德，杨膺善译磁性体手册冶金工业出版社1 9 8 5 ，l l 8 中国大百科全书中国大百科全书出版社 9 牛六童，何贤美感生各向异性对溅射n i 一8 0 c o 一2 0 合金膜的磁及磁电阻性能的影响功能材料，2 0 0 1 ，3 2 ( 3 ) 1 0 】蔡春源新编机械设计手册辽宁科学技术出版社，1 9 9 3 ，0 7 1 】 崔甲武，赵志国，张绍