软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用.doc

软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用 第31卷第4期xx?8月电子器件Chinese JournalOf ElectronDevicesVol.31No.4Aug.xxApplications andProgress in the Studyof Giant Mago2Impedance Effectin Soft MagicAmorphous Wires&GMI SensorsJIA NG Yan2wei,FA NG Jian2cheng3,S HEN GWei,HUA NG Xue2gongSchool ofInstrument Scienceand Opto2Electronics Engineering,Beijing Universityof Aeronauticsand Astronautics,Beijing100083,ChinaAbstract:Magic sensorutilizing thegiant mago2impedance effect(GMI)in amorphous wires isone ofhotpoints onmagic sensorresearch inrecent years.Amorphous wireshave goodsoft magicproper2ties,such aslow resistivity,high magicpermeability,high saturationmagic fluxdensity,low coer2civity,low lossand specialmagic domainstructure,which canbe madeinto magicsensors utilizingtheirGMI effect.The outstandingadvantage of GMI magicsensor isits miniaturization,high sensitivi2ty,quick response,high temperaturestability andlow powerconsumption.Principle ofGMI effectin a2morphous wires is discussedand progressinthestudy ofGMI sensorusing amorphouswiresismainly de2scribed.Performance andpreparation ofsensitive materials,GMI elementstructure andsensor circuitarepresented specially,and existingproblems anddeveloping trendofGMIin futureare indicated.Finally,applications ofGMI areforecasted.Key words:Giant mago2impedance(GMI);Amorphous wires;Magic sensor;Magic domainstruc2ture;Magic permeability;Skin effectEEACC:7230;3110软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用蒋颜玮,房建成3,盛蔚,黄学功(?京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,?京100083):xx207220作者简介:蒋颜玮 (19732),男,助?研究员,博士研究生,研究方向为磁敏器件、微磁传感器技术,Jiang_yanwei163.;房建成 (19652),男,教授,博士生导师,主要研究方向为新型惯性仪表及导航系统技术摘要:基于软磁非晶丝巨磁阻抗效应(GMI)的传感器是近?来磁传感器领域的研究热点之一。 非晶丝具有良好的软磁特性:如低电阻率、高磁导率、高饱和磁感应强度、低矫顽?、低损耗以及特殊的磁畴结构等,利用其GMI效应制成磁传感器,其突出优点是微型化、高灵敏度、快速响应、高温度稳定性和低功耗。 本文讨论了软磁非晶丝巨磁阻抗效应的机?,叙述了非晶丝GMI传感器的研究进展,着重对敏感材?性能及制备、GMI器件结构形式、传感电?等作了介绍,并指出了GMI目前存在的问题及将来的发展趋势。 最后对GMI的应用作了展望。 关键词:巨磁阻抗(GMI);非晶丝;磁传感器;磁畴结构;磁导率;趋肤效应:TP212.13:A:100529490 (xx)0421124206巨磁阻抗效应(Giant Mago2Impedanceeffect,简称GMI)是指磁性材?交变阻抗随外磁场显著变化的效应。 它一种叫磁感应(Magne2to2inductive)的物?效应,最早可追溯到二十世纪三十?代,但由于当时材?和应用领域的限制,GMI的应用前景并?明朗,在当时和以后的几十?未引起人们注意。 1992?,日本名古屋大学的K.Mohri等人1在CoFeSiB软磁非晶丝中发现了GMI效应,即非晶丝在交变电流激发下,其阻抗值随沿丝轴方向施第加的外磁场的变化而发生显著变化,阻抗变化率在几个奥斯特(1Oe相当于1Gs=10-4T=105nT)磁场作用下可达50%,比金属多层膜在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应(GMR)高一个数?级,从此这一现象引起了广泛关注。 Z/Z0般定义为(ZH-Z0)/Z0,其中Z 0、Z H分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材?的交流阻抗,其比值的大小表示材?对磁场变化的敏感程度。 由于GMI在室温下磁阻抗效应显著和低外磁场下的高灵敏度,使其在磁传感和测?领域中具有巨大的应用潜能。 随着信息技术的?断提高,磁测?领域对磁传感器性能的要求越来越高。 巨磁阻抗效应(GMI)的发现为开发具有高稳定性、高灵敏度、高分辨率、响应速度快、低功耗等特点的磁传感器提供了可能。 采用软磁非晶丝作为敏感材?,利用其GMI效应制作的磁传感器(以下简称GMI传感器),?但继承了传统磁传感器的优点,而且由于GMI磁阻抗变化率高,使它能探测微弱磁场,扩大了磁传感器的测?范围和应用面,呈现出广阔的应用前景。 1软磁非晶丝的巨磁阻抗效应研究GMI效应最初是在钴基的软磁非晶丝中发现的,人们对非晶丝研究主要以钴基非晶丝为主,此外还有铁基非晶丝,以CoFeSiB系非晶丝最为典型227,主要成分是CoFeSiB、CoSiB或FeSiB。 K.Mohri等人3的研究成果表明,在适当成分下,钴基非晶态合金丝材?CoFeSiB具有特别优异的软磁性能,它作为研究巨磁阻抗效应的最典型材?,在适当的组分下具有优良的软磁性能,如低电阻率、高磁导率、高饱和磁感应强度、低矫顽?、低损耗以及特殊的磁畴结构。 非晶丝GMI效应的可归因于这种特殊的磁畴结构和较强的趋肤效应。 由于非晶丝在急冷制备过程中丝的表面和中心区有?同的冷却速率,表面层受到圆周方向(或轴向)的压缩?,而中心区域受到的是张?。 由于磁致伸缩效应引起圆周磁各向异性,丝的中心和外层产生?同的磁畴结构,因而丝的表面具有圆周方向的各向异性,形成环状磁畴,中心区域的磁化强度方向沿着细丝的轴向,如图1所示8,这样结构对阻抗有着重要影响。 图1负磁致伸缩非晶丝的磁畴结构其磁畴结构分内芯及外壳两部分,内芯含轴向?磁化畴而外壳为左、右旋交替分布圆周向磁畴结构,磁致伸缩系数趋近于零(-10-7),因为负的磁致伸缩导致圆周各向异性,从而使磁畴结构沿着丝呈环形畴排列,通过丝的电流产生了一个?轴场,该场使畴壁移动产生环形磁化。 外加纵向场H ex相对于圆周磁化来讲是一个难轴场,会阻止圆周磁通的变化。 结果当H ex=0时,圆周磁导率较大(104),当H ex增加,圆周磁导率随外磁场急剧减小,由此可知,圆周磁导率随外场灵敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因。 采用图2的装置进?测试,在非晶丝的两端通以高频电流I=I0exp(-it),由于材?的交流阻抗随着丝轴向所加的外磁场H ex的变化而变化,可以测得非晶丝两端感生的交流电压V随外磁场的变化而变化。 用伏安法分析,非晶丝交流阻抗可表示为Z=V/I=R+i X,其中R为复数阻抗Z的实部即电阻分?;X为Z的虚部即电感分?,为交变驱动电流的圆频率(=2f)。 图2测试电?图采用趋肤效应分析方法,非晶丝交流阻抗Z可表示为9:Z=R DCka J0(ka)/2J1(ka) (1)式中,R DC为非晶丝的直流电阻,R DC=l/a2,是非晶丝的电阻率,l为非晶丝长度,a为非晶丝半径,J0和J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数(Besselfunction),k=(1+j)/m,趋肤深度m为m=2/ (2)式中,是交流驱动电流的角频率; 具有圆周各项异性,受交变电流I磁化后的非晶丝,如图3所示。 图3具有圆周各向异性受磁化的非晶丝从式 (1)、 (2)可以看出,磁性导体中的阻抗通过趋肤深度m依赖于圆周磁导率a,趋肤效应很小或没有发生,Z可表示为:Z=R DC+jL (3)式中,L为非晶丝的电感?,L=l/8。 圆周磁导率可表示为eff=0+4j x0dw/dw,其中:0是由畴壁位移决定的静态圆周磁导率,x0dw是畴壁位移决定的静态圆周磁化率,dw是畴壁位移的特征弛豫频率。 将上述磁导率表达式代入式 (1),按频率展开至二次项,可得到低频下非晶丝阻抗表式:Z=R DC1+(a/m)4(0.14+0.25(dw/a)2)-(j/c2)Li (4)式中,dw=c/22x0dwdw,L i=0l/2在低频情况下,从式 (4)中电阻部分与趋肤深度的关系可以看出,趋肤深度的影响很小,阻抗的变化主要是磁感应效应,即由于外磁场作用下圆周磁导率变化而产生的。 外磁场的作用是引起材?中磁导率的改变,这时阻抗随直流磁场的变化主要电感部分,因此在低频下产生磁感应效应。 (2)高频(可达MHz)9212此时m (5)|Z|=a2R DC(Hex) (6)磁导率(H ex)是外加磁场H ex的敏感函数,如果沿驱动电流方向纵向加一外磁场H ex,磁导率 (7)其中:R=|+,L=|-3104-最大磁导率31042104饱和磁感应强度/T0.50.81.5剩余磁感应强度/T0.40.51.2饱和磁致伸缩系数-0.0810-62710-6矫顽?/A?m-124居?温度/320410晶化温度/520550用于GMI器件的非晶丝成分以CoFeSiB为主,直径通常为30150m,长度为数毫米?等,通常采用旋转水中纺丝法制成。 具体制备过程如下:在高速旋转的鼓轮内加入冷却水,在离心?的作用下,冷却水在鼓轮内壁形成环形水池,并随鼓轮同步旋转,熔融钢水通过坩埚的底部圆孔顺流喷入水中,快速凝固成连续的圆截面非晶丝材。 制得的非晶丝截面为圆型,其晶体结构可用X射线衍射仪测得的X射线衍射谱来表征,?谱线仅含漫散射峰而无尖锐峰值出现,则可判定该材?处于非晶态。 制备态的非晶丝经应?退火或电流退火处?后,在表层感生了圆周各项异性,GMI效应得到显著提高。 2.2GMI器件及传感电?现在基于非晶丝GMI效应的磁传感器研究十分活跃13219,已经成为现代磁电子学的研究热点之一。 主要利用非晶丝制成灵敏的GMI器件,配以传感器调?电?实现对磁场等物?的检测。 GMI器件的典型结构如图5所示。 在非晶丝上缠绕两组线圈:偏置线圈和反馈线圈,目的是用来改善GMI特性。 图5GMI器件结构Aichi Steel公司20利用此结构制作的GMI模块芯片,如图6所示。 有六个引脚,其中四个是两个线圈的输出。 非晶丝通过超声波焊接在陶瓷基底的电极上,外包围一层树脂,树脂外缠绕线圈,该芯片适合批?生产。 针对这种有偏置和反馈线圈的结构(图6),Ka2图6批?生产的GMI芯片neo Mohri21等人设计了以CMOS IC总体电?作为脉冲电流代替高频电流启动GMI传感器的总体电?,很具有代表性,基本电?如图7所示。 图7CMOS多频振荡器型GMI传感器电?电?的工作原?是:电?利用CMOS芯片的两个反相器和电阻R、电容C构成多频振荡器,产生10ns宽的脉冲电流。 GMI器件上的脉冲电流依次通过二极管SBD、RH和CH组成的滤波器、高速运算放大器OP 1、OP2得到传感器输出E out。 电?中加负反馈环?是为了改善输出电压E outH ex特性、频率特性和消除磁滞现象。 利用该电?组成的GMI传感器,灵敏度可达200mV/Oe,测?范围为1Oe。 响应频率可达1MHz,功耗小于10mW。 用这种传感器可以检测弱磁场和磁体位移等物?。 为了进一步提高传感器的性能,例如温度稳定性和可靠性,采用C2MOS差分式结构的GMI传感器电?如图8所示22223。 利用两个GMI器件,采用差分电?,可有效提高温度稳定性。 图8CMOS差分式GMI传感器电?以CMOS IC总体电?作为脉冲电流启动GMI传感器的总体电?,这促进了大规模生产微型传感器的ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit72114期蒋颜玮,房建成等:软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用1专用集成电?)技术的发展。 Aichi Steel公司利用这种技术在xx?研制成功高密度结构的CMOS型GMI传感器。 此传感器使用直径为30m、长度为2mm的CoFeSiB非晶丝作为磁敏感器件,并且在xx?研制出直径为20m、长度为lmm的CoFeSiB非晶丝作为磁敏感器件的CMOS型磁传感器。 这种传感器可以制成电子罗盘安置在汽车、轮船、移动电话中作为电子器件构成导航系统。 2.3GMI器件及传感电?的集成封装为了减小体积和优化设计电?,对GMI器件及传感电?的封装,采用基于MCM(多芯片组)的嵌入式封装技术,这对设计和加工提出了?高的要求。 图9为嵌入式封装的结构示意图24。 图9嵌入式封装示意图首先在陶瓷框架上刻蚀出空?,敏感元件被埋设在陶瓷框架的空?内,之后在其上部利用丝网?印、光刻等技术分别涂覆介质薄膜以及金属膜并使之图形化,最后,集成模块的驱动、控制、保护元件以表贴或膜式元件的形式粘附在最上层。 嵌入式封装结构的最大优点是可以大为缩小模块的体积,继而提高模块的功率密度。 和焊接技术为基础的互连工艺相比,芯片电极引出线的距离?短,相应的寄生效应也?小,适合用于GMI器件及传感电?的集成化。 3问题和发展趋势GMI效应尽管有很好的应用前景,但仍存在一定的问题。 一个是GMI磁后期效应,这在GMI传感技术应用中是?需要的,通过对GMI敏感材?采取适当退火处?可大大减小该效应;另一个是磁滞现象,主要和磁化过程密切相关,通过适当的热处?可大大减小。 此外,GMI的基本特性是非线性的,而且其形状将会使在零场附近的工作出现严重的问题。 由于阻抗变化与外场在零场呈对称性,故GMI传感器在零场附近?敏感,灵敏度较低。 非对称巨磁阻抗(asymmetric giantmago2impedance,AGMI)效应25227由于能改善GMI传感器在零场附近的特性,提高线性度和获得高灵敏度,而引起了广泛的关注。 非对称巨磁阻抗效应已经成为目前研究的热点,利用GMI效应的非对称特性可以实现GMI传感器在零场附近具有高的线性度和灵敏度,满足微弱磁场传感器的需求。 4GMI的应用随着自动化和信息时代的到来,各种器件正在向着微型化、高信息密度、高灵敏度的方面发展。 具有GMI效应的巨磁阻抗效应材?,由于其交流磁阻抗随外加磁场改变而变化极其灵敏,在室温下的巨磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使其在磁传感器、磁灵敏开关、自动化控制系统等方面有较大的应用前景。 利用非晶丝的GMI效应,可制成高性能的微磁传感器,例如采用尺寸30m、长12mm的非晶丝接入固态电?制成的微磁传感器,分辨率可达0.1nT,响应速度达1MHz,无磁滞,温度稳定性好(-50180),可用于高密度磁记录设备、导航、军事和安全、无损检测、地磁及生物磁性测?等方面,为微磁电子产业的形成和发展创造了条件。 GMI传感器与现有的半导体器件(霍尔元件和磁敏电阻等)、磁电阻器件、磁通门和GMR传感器相比,可以集微型化、高灵敏度、快速响应、温度稳定性和低功耗于一身,可作为现在各种磁传感器的?新换代产品。 表2给出了目前主要磁传感器种类的性能对比。 表2主要磁传感器性能对比器件种类探头长度分辨率响应速度功耗霍尔器件10100m0.5Oe1MHz10mWMR器件10100m0.1Oe1MHz10mWGMR器件10100m0.01Oe1MHz10mW磁通门1020mm1Oe(ac)100Oe(dc)1kHz1WGMI器件12mm1Oe(ac)100Oe(dc)1MHz10mW日本爱知制钢公司研制并生产了GMI模块芯片,并研制成100种以上有希望的应用产品28,包括军用传感器、卫星飞?姿态测?系统、工业控制和测?,交通测?和监控传感器、手持式地磁传感器、汽车传感器、交通检测控制记录仪、电子磁罗盘、微磁医疗设备以及计算机外围设备等。 总之,利用GMI效应可以开发各种性能优良的磁传感器。 研究开发GMI效应传感器具有重要现实意义。 参考文献:1Mohri K,Kohzawa T,Kawashima K,et al.Mago2Induc2tive Effect(MI effect)in Amorphous WiresJ.IEEE TransMagn,1992,28 (5):315023152.2Kawashima K,Kohzawa T,Yoshida H,et al.Mago2In2821电子器件第31卷第ductive Effectin Tension2Annealed Amorphous Wires andMISensorsJ.IEEE Trans Magn,1993,29 (2):316823170.3Mohri K,Kawashima K,Kohzawa T,et al.Mago2Induc2tive ElementJ.IEEE Trans.Magn.,1993,29 (2):124521248.4Panina LV,Mohn K,Uchyama T,et al.Giant Mago2Im2pedance inCO2Rich Amorphous Wires andFilmsJ.IEEETrans Magn,1995,31 (2):124921260.5Bushida K,Mohri K,Uchiyama T.Sensitive andQuick Re2sponse Micro Magic Sensorusing AmorphousWire MIEle2ment ColpittsOscillatorJ.IEEE 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