D0I:10.13374/1.issnl00I53.2006.08.008 第28卷第8期 北京科技大学学报 Vol.28 No.8 2006年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug·2006 改善AMR薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 王立锦 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要在分析金属薄膜磁电阻传感器非线性产生原因的基础上，提出了几种设计AMR(各向异 性磁电阻)薄膜磁电阻传感器时改善其线性度的方法.用直流磁控溅射方法制备了NoF2和 Ni5Co35AMR薄膜材料：用微加工工艺制做出了几种AMR传感器元件，并给出了测试结果. 关键词金属薄膜：各向异性磁电阻效应：传感器：线性度：微加工 分类号0484.4+2：TM271+.2 金属薄膜磁电阻传感器是指利用磁性金属薄 面]，在金属薄膜磁电阻传感器设计中很多时候 膜磁各向异性磁电阻效应(anisotropic magnetore 都要求传感器的输出电压与记录信号成正比，因 sistance(AMR)effects)或巨磁电阻效应(giant 此改善磁电阻传感器的线性度和线性范围对于拓 magnetoresistance(GMR)effects)[23]制成的各类 展磁电阻传感器的应用范围、提高测量系统的精 磁传感器，所谓AMR效应，是指磁性材料的电阻 度有重要意义， 率随其磁化强度与电流方向相对取向而变化的现 1 金属薄膜磁电阻传感器非线性产 象，早在1857年Thomson就发现了各向异性磁 生的原因 电阻效应，但是限于当时科学技术水平在应用方 面并没用得到足够的重视，目前国内应用的磁场 引起金属磁电阻效应的原因有三种：一是固 传感器多为霍尔元件和半导体磁阻元件，其测量 定温度下，由于磁化强度的变化而引起电阻率的 的磁场强度范围是102~103Am1,存在灵敏 变化；二是由于温度变化使磁化强度变化而引起 度低、体积大的缺点，随着传感技术迅速发展，传 的电阻率变化；三是由于磁化强度方向相对于电 感器新原理、新材料和新技术的研究更加深入、广 流方向的改变而引起的电阻率变化，非铁磁性物 泛，传感器新品种、新结构、新应用不断涌现、层出 质的磁阻效应一般是第一种原因为主，通常称为 不穷，低温5K时铁、钴的各向异性磁电阻值约 正常磁阻效应6门，它是各向同性的，其电阻率的 为1%，而坡莫合金(Ni81Fe19)为15%.室温下坡 相对变化率与外磁场强度的平方成正比，可以表 莫合金薄膜的各向异性磁电阻值仍有2.5%之 示成： 大，因为最大的△P/P值是在饱和状态下得到 △p/Po=f(B2,P/o) 的，所以还必须定义单位磁场所引起的电阻率的 式中△P为磁场强度B引起的电阻率变化值，% 变化作为器件的灵敏度，对于坡莫合金，其饱和 为磁场为零时的电阻率，为德拜温度下的电阻 磁化强度约796A·m1,故它的灵敏度S,= 率. 0.0025%(Am)-1.由于AMR效应的传感器 对于各向异性的铁磁性金属而言，其电阻率 与材料中磁化强度与电流方向的取向有关，此类 其灵敏度高，热稳定性好，材料成本低，制备工艺 物质中磁化强度M与电流i同向时的电阻率与 简单，可以广泛应用在信息、机电、电力电子、能源 磁化强度M与i电流垂直时的电阻率是不同的， 管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域， 各向异性磁阻效应的电阻率相对变化率AMR定 目前集中应用于数据读出磁头)、存储器、弱磁 义为： 场检测以及速度、角度和位置类传感器等方 AMR=△/Pm=(P∥-P⊥)/P. 收稿日期：2005-05-30修回日期：2005-09-15 其中，P∥和P⊥分别为外磁场平行和垂直于电流 基金项目：国家高技术研究“863计划”资助项目 (Na.2003AA325010) 方向时磁场强度饱和的电阻率，P为平均电阻 作者简介：王立锦(1963一)，男，副教授，博士研究生 率，通常取Pr=（P∥十2P⊥)/3，Pm与%差别
改善 AMR 薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 王立锦 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘 要 在分析金属薄膜磁电阻传感器非线性产生原因的基础上提出了几种设计 AMR（各向异 性磁电阻）薄膜磁电阻传感器时改善其线性度的方法．用直流磁控溅射方法制备了 Ni80Fe20和 Ni65Co35 AMR 薄膜材料；用微加工工艺制做出了几种 AMR 传感器元件并给出了测试结果． 关键词 金属薄膜；各向异性磁电阻效应；传感器；线性度；微加工 分类号 O484∙4＋2；T M271＋∙2 收稿日期：20050530 修回日期：20050915 基金 项 目： 国 家 高 技 术 研 究 “863 计 划 ” 资 助 项 目 （No∙2003AA325010） 作者简介：王立锦（1963—）男副教授博士研究生 金属薄膜磁电阻传感器是指利用磁性金属薄 膜磁各向异性磁电阻效应（anisotropic magnetoresistance （AMR） effects） ［1］或巨磁电阻效应（giant magnetoresistance（GMR） effects） ［23］制成的各类 磁传感器．所谓 AMR 效应是指磁性材料的电阻 率随其磁化强度与电流方向相对取向而变化的现 象．早在1857年 Thomson 就发现了各向异性磁 电阻效应但是限于当时科学技术水平在应用方 面并没用得到足够的重视．目前国内应用的磁场 传感器多为霍尔元件和半导体磁阻元件其测量 的磁场强度范围是10—2～103 A·m —1存在灵敏 度低、体积大的缺点．随着传感技术迅速发展传 感器新原理、新材料和新技术的研究更加深入、广 泛传感器新品种、新结构、新应用不断涌现、层出 不穷．低温5K 时铁、钴的各向异性磁电阻值约 为1％而坡莫合金（Ni81Fe19）为15％．室温下坡 莫合金薄膜的各向异性磁电阻值仍有2∙5％之 大．因为最大的 Δρ／ρav 值是在饱和状态下得到 的所以还必须定义单位磁场所引起的电阻率的 变化作为器件的灵敏度．对于坡莫合金其饱和 磁化强度约 796A·m —1故它的灵敏度 Sv ＝ 0∙0025％ （A·m —1） —1．由于 AMR 效应的传感器 其灵敏度高热稳定性好材料成本低制备工艺 简单可以广泛应用在信息、机电、电力电子、能源 管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域． 目前集中应用于数据读出磁头［4］、存储器、弱磁 场检测以及速度、角度和位置类传感器等方 面［5］．在金属薄膜磁电阻传感器设计中很多时候 都要求传感器的输出电压与记录信号成正比因 此改善磁电阻传感器的线性度和线性范围对于拓 展磁电阻传感器的应用范围、提高测量系统的精 度有重要意义． 1 金属薄膜磁电阻传感器非线性产 生的原因 引起金属磁电阻效应的原因有三种：一是固 定温度下由于磁化强度的变化而引起电阻率的 变化；二是由于温度变化使磁化强度变化而引起 的电阻率变化；三是由于磁化强度方向相对于电 流方向的改变而引起的电阻率变化．非铁磁性物 质的磁阻效应一般是第一种原因为主通常称为 正常磁阻效应［67］它是各向同性的其电阻率的 相对变化率与外磁场强度的平方成正比可以表 示成： Δρ／ρ0＝ f （B 2ρθ／ρ0）． 式中Δρ为磁场强度 B 引起的电阻率变化值ρ0 为磁场为零时的电阻率ρθ 为德拜温度下的电阻 率． 对于各向异性的铁磁性金属而言其电阻率 与材料中磁化强度与电流方向的取向有关．此类 物质中磁化强度 M 与电流 i 同向时的电阻率与 磁化强度 M 与 i 电流垂直时的电阻率是不同的 各向异性磁阻效应的电阻率相对变化率 AMR 定 义为： AMR＝Δρ／ρav＝（ρ∥—ρ⊥）／ρav． 其中ρ∥和 ρ⊥分别为外磁场平行和垂直于电流 方向时磁场强度饱和的电阻率ρav 为平均电阻 率通常取 ρav ＝（ρ∥ ＋2ρ⊥）／3ρav 与 ρ0 差别 第28卷 第8期 2006年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．8 Aug．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．08．008
Vol.28 No.8 王立锦：改善AR薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 .745. 很小 极对应的空间排列如图2(a)所示，使用时磁头由 如果设一个单畴膜样品中的M与电流i的 行走机构带动，在磁栅尺上方保持恒定的间隙移 夹角为0，则各向异性电阻率(0)可表示为山： 动，磁电阻薄膜采用直流磁控溅射方法制备，制 (0)=PLsin20+//cos20=PL+APcos20(1) 备工艺条件为：薄膜成分为Ni8oFe2o;基片为硅 可见磁电阻的变化相对于外部磁场的变化关系本 片，其表面大概有约500nm的氧化层；本底真空 身就不是线性的， 度为3.7×10-4Pa;工作介质Ar,气压为0.5Pa; 另外由于磁性材料存在不可逆磁化过程，因 基片通水冷却；退火温度为450℃，退火2h;薄膜 此外磁场过强，接近和超过饱和磁场强度H。时 样品的结构为硅基片/Ta(6nm)/Nife(20nm)/ 即使增加磁场强度，△P/P%也不再增加，此时磁电 Ta(3nm).薄膜的各向异性磁电阻变化率达到 阻的变化是非线性的；由于纵向退磁场的不均匀 3%,配合磁栅尺的磁极间距入，设计了光刻板， 性以及磁膜中多畴结构而引起的各向异性弥散也 通过甩胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电极、超声压焊等 会引起磁电阻元件中磁畴壁的弯曲，特别是在磁 微加工工艺]制成了磁栅尺磁电阻磁头，经测试 化交界处产生不可逆畴壁位移，而使各磁畴的饱 磁电阻磁头工作电压5V时输出信号在10mV以 和磁化强度M取向不一致；温度飘移、温度梯 上，磁电阻传感器磁头的电阻可通过改变薄膜的 度、磁电阻元件后面的信号处理电路以及供电和 厚度、磁电阻条的宽度和长度来控制，考虑到薄 外界产生的电磁干扰都可引起磁电阻非线性 膜磁电阻元件的电阻与后续电路的匹配和元件的 变化 功耗，设计元件电阻在750~12002之间. 2 改善金属薄膜磁电阻传感器线性 度的几种方法 3Y/ 针对以上几种原因，在设计磁电阻传感器时 薄膜磁头 采取了以下几种方法来改进传感器的线性， 2.1桥式或差分电路的形式消除偶次谐波误差 NN SS N 把磁电阻元件接成桥式或差分电路的形式， 磁栅 GNDI 形成差动输出，不仅可以消除输出信号中的偶次 (b) 分量，改善传感器的输出线性，而且使传感器的灵 敏度提高1倍或2倍. 图2AMR磁头磁阻条的空间排列图(a)和电路连接(b) AMR传感器的差分电路有图1所示的几种 Fig.2 Arrangement (a)and circuit connection (b)of AMR magnetic head elements 常见的形式，为了增加磁电阻条的电阻以提高其 灵敏度，磁电阻部分（带斜线的）常制成很窄很长 图3(a)是在磁极间距入为0.5mm,磁头间 的迂回状的磁电阻条 隙为0.16mm时采集到的桥式AMR磁头在磁栅 尺上移动时的输出信号，并对其进行了傅里叶谐 波分析和拟合，从图3(b)中可以看出偶次谐波得 到了很好的抑制，输出信号的信噪比和稳定性也 非常好，另外由于磁头采用差动输出设计，输出 信号对于外界的磁场干扰具有抵消作用，因而使 磁头的稳定性和可靠性大大提高 2.2通过磁电阻条适当的空间相位排列消除奇 次谐波误差 图1AMR元件桥式或差分电路的几种形式 在高精度磁栅尺位移测量系统中，需要对磁 Fig-1 Several forms of bridge or differential circuits of AMR 头输出信号进行细分处理和计算，因此对磁头输 elements 出信号正弦性要求很高·从图3(b)中可以看出三 针对磁栅尺表露磁场的分布特点[⑧]，设计了 次谐波是磁头信号非正弦性误差主要来源， 桥式AMR磁头，磁电阻磁头每个电桥由4个磁 在设计制作磁头时，通过将磁头的磁电阻条 电阻元件组成，如图2(b),各磁阻条与磁栅尺磁 作适当的空间相位排列可以消除奇次谐波，当磁
很小． 如果设一个单畴膜样品中的 M 与电流 i 的 夹角为θ则各向异性电阻率 ρ（θ）可表示为［1］： ρ（θ）＝ρ⊥sin 2θ＋ρ∥cos 2θ＝ρ⊥＋Δρcos 2θ（1） 可见磁电阻的变化相对于外部磁场的变化关系本 身就不是线性的． 另外由于磁性材料存在不可逆磁化过程因 此外磁场过强接近和超过饱和磁场强度 Hs 时 即使增加磁场强度Δρ／ρ0 也不再增加此时磁电 阻的变化是非线性的；由于纵向退磁场的不均匀 性以及磁膜中多畴结构而引起的各向异性弥散也 会引起磁电阻元件中磁畴壁的弯曲特别是在磁 化交界处产生不可逆畴壁位移而使各磁畴的饱 和磁化强度 Ms 取向不一致；温度飘移、温度梯 度、磁电阻元件后面的信号处理电路以及供电和 外界产生的电磁干扰都可引起磁电阻非线性 变化． 2 改善金属薄膜磁电阻传感器线性 度的几种方法 针对以上几种原因在设计磁电阻传感器时 采取了以下几种方法来改进传感器的线性． 2∙1 桥式或差分电路的形式消除偶次谐波误差 把磁电阻元件接成桥式或差分电路的形式 形成差动输出不仅可以消除输出信号中的偶次 分量改善传感器的输出线性而且使传感器的灵 敏度提高1倍或2倍． AMR 传感器的差分电路有图1所示的几种 常见的形式．为了增加磁电阻条的电阻以提高其 灵敏度磁电阻部分（带斜线的）常制成很窄很长 的迂回状的磁电阻条． 图1 AMR 元件桥式或差分电路的几种形式 Fig．1 Several forms of bridge or differential circuits of AMR elements 针对磁栅尺表露磁场的分布特点［8］设计了 桥式 AMR 磁头．磁电阻磁头每个电桥由4个磁 电阻元件组成如图2（b）各磁阻条与磁栅尺磁 极对应的空间排列如图2（a）所示．使用时磁头由 行走机构带动在磁栅尺上方保持恒定的间隙移 动．磁电阻薄膜采用直流磁控溅射方法制备制 备工艺条件为：薄膜成分为 Ni80Fe20；基片为硅 片其表面大概有约500nm 的氧化层；本底真空 度为3∙7×10—4Pa；工作介质 Ar气压为0∙5Pa； 基片通水冷却；退火温度为450℃退火2h；薄膜 样品的结构为硅基片／Ta（6nm）／NiFe（20nm）／ Ta（3nm）．薄膜的各向异性磁电阻变化率达到 3％．配合磁栅尺的磁极间距 λ设计了光刻板 通过甩胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电极、超声压焊等 微加工工艺［9］制成了磁栅尺磁电阻磁头．经测试 磁电阻磁头工作电压5V 时输出信号在10mV 以 上．磁电阻传感器磁头的电阻可通过改变薄膜的 厚度、磁电阻条的宽度和长度来控制．考虑到薄 膜磁电阻元件的电阻与后续电路的匹配和元件的 功耗设计元件电阻在750～1200Ω之间． 图2 AMR 磁头磁阻条的空间排列图（a）和电路连接（b） Fig．2 Arrangement （a） and circuit connection （b） of AMR magnetic head elements 图3（a） 是在磁极间距 λ为0∙5mm磁头间 隙为0∙16mm 时采集到的桥式 AMR 磁头在磁栅 尺上移动时的输出信号并对其进行了傅里叶谐 波分析和拟合．从图3（b）中可以看出偶次谐波得 到了很好的抑制输出信号的信噪比和稳定性也 非常好．另外由于磁头采用差动输出设计输出 信号对于外界的磁场干扰具有抵消作用因而使 磁头的稳定性和可靠性大大提高． 2∙2 通过磁电阻条适当的空间相位排列消除奇 次谐波误差 在高精度磁栅尺位移测量系统中需要对磁 头输出信号进行细分处理和计算因此对磁头输 出信号正弦性要求很高．从图3（b）中可以看出三 次谐波是磁头信号非正弦性误差主要来源． 在设计制作磁头时通过将磁头的磁电阻条 作适当的空间相位排列可以消除奇次谐波．当磁 Vol．28No．8 王立锦： 改善 AMR 薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 ·745·
.746, 北京科技大学学报 2006年第8期 1.0 0.8 0.4 5 0.2 0 时间ms 012345678910 谐波次数 (a)输出信号波形与拟合曲线 (b)谐波成分幅值分析 图3桥式AMR磁头输出信号的谐波分析 Fig.3 Harmonics analysis of an AMR magnetic head with the form of bridge circuits 头放置在一个周期性分布的磁场（如磁栅尺或磁 代入整理得： 旋转编码器磁鼓)中时，磁头的每个磁电阻元件就 有了一定的空间相位排列关系，如图4(a)所示. e1= 2 左边桥臂四个磁阻条的电阻变化可表示为0： Rn=Rmbo+∑c] ∑(2n-1)0叶a(2n- 40+2∑becm2n0+28 R12=Rdbo+∑b,cosW0+ 3 (2) (4) Ran Ro bo+b.cosn(+) 从上式中可以看出分母中无奇次谐波；分子中无 程 偶次谐波，只有基波、5次、7次谐波，没有三次及 Ba=Rbo+习bams9+写 其倍数的谐波，上式中的直流成分可以通过差分 放大的方式抵消. 其输出电压为： 采用前面同样材料和工艺，制作了磁栅尺消 R21十R22 e-Ru+RRaREo (3) 奇次谐波磁头，在磁极间距入为0.5mm,磁头间 Eo? 膜磁头 /2 IRin.,Irir Irir.Rr.iro NN ss NN 磁橱 (a) (b) 图4消谐波磁头磁阻条的空间相位排列图(a)和连接图(b) Fig.4 Arrangement (a)and circuit connection(b)of sinusoidal AMR magnetic heads 隙为0.27mm的相同条件下，采集了两种AMR 2.3通过外加横向偏置磁场，使工作点偏移来改 磁头在磁栅尺上移动时的输出信号，并对其进行 善AMR磁电阻元件线性度 了傅里叶谐波分析和拟合，图5是两种不同设计 施加偏置磁场后，AMR磁电阻元件的工作点 的AMR磁头输出信号谐波分析对比图，可以看 将移到H0附近，磁电阻元件的工作特性曲线如 出磁头采用消奇次谐波设计后其高次谐波明显 图6所示.选取合适的偏置磁场，磁电阻元件将 减小. 工作在线性度和磁场灵敏度最佳的区域
图3 桥式 AMR 磁头输出信号的谐波分析 Fig．3 Harmonics analysis of an AMR magnetic head with the form of bridge circuits 头放置在一个周期性分布的磁场（如磁栅尺或磁 旋转编码器磁鼓）中时磁头的每个磁电阻元件就 有了一定的空间相位排列关系如图4（a）所示． 左边桥臂四个磁阻条的电阻变化可表示为［10］： R11 ＝ R0 b0＋∑n bncos nθ］ R12 ＝ R0 b0＋∑n bncos n θ＋ π 3 R21 ＝ R0 b0＋∑n bncos n（θ＋π） R22 ＝ R0 b0＋∑n bncos n θ＋ 4π 3 （2） 其输出电压为： e1＝ R21＋ R22 R11＋ R12＋ R21＋ R22 E0 （3） 代入整理得： e1＝ 1 2 — ∑n b2n－1 cos（2n－1）θ＋cos（2n－1） θ＋ π 3 4b0＋2∑n b2n cos2nθ＋cos2n θ＋ π 3 ·E0 （4） 从上式中可以看出分母中无奇次谐波；分子中无 偶次谐波只有基波、5次、7次谐波没有三次及 其倍数的谐波．上式中的直流成分可以通过差分 放大的方式抵消． 采用前面同样材料和工艺制作了磁栅尺消 奇次谐波磁头在磁极间距 λ为0∙5mm磁头间 图4 消谐波磁头磁阻条的空间相位排列图（a）和连接图（b） Fig．4 Arrangement （a） and circuit connection （b） of sinusoidal AMR magnetic heads 隙为0∙27mm 的相同条件下采集了两种 AMR 磁头在磁栅尺上移动时的输出信号并对其进行 了傅里叶谐波分析和拟合．图5是两种不同设计 的 AMR 磁头输出信号谐波分析对比图．可以看 出磁头采用消奇次谐波设计后其高次谐波明显 减小． 2∙3 通过外加横向偏置磁场使工作点偏移来改 善 AMR 磁电阻元件线性度 施加偏置磁场后AMR 磁电阻元件的工作点 将移到 H0 附近磁电阻元件的工作特性曲线如 图6所示．选取合适的偏置磁场磁电阻元件将 工作在线性度和磁场灵敏度最佳的区域． ·746· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第8期
Vol.28 No.8 王立锦：改善AR薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 .747. 100 100 1.50 125 125 1.00 0. 0.75 829 0.50 0.25 012 4 78910 01246789i0 谐波次数，N 谐波次数，N (a)未采用消谐波设计 (b)采用消谐波设计 图5AMR磁头输出信号谐波分析对比 Fig.5 Harmonics analysis of AMR magnetic heads 偏置法相同，只是将永磁层变为软磁层，其工作 原理是通过磁电阻元件层的传感电流在周围形成 的磁场作用于邻近软磁层，当电流达到某一值后， 输出电压变化 邻近软磁层被饱和磁化并与磁电阻元件层产生静 磁耦合，从而在磁电阻元件层上施加一横向偏置 磁场变化 磁场·这种方法的特点是产生的横向偏置磁场较 大，同时饱和的邻近软磁层处于单畴状态，因此抑 图6外加偏磁场时AMR磁电阻元件的信号输出曲线 制了Barkhausen噪声 Fig-6 Output signal of AMR elements with external bias mag netic field 用NiCo材料制备了单条磁电阻元件，薄膜 成分为Ni65Co35;薄膜样品的结构为硅基片/Ta 通常有以下几种办法来给磁电阻元件施加偏 (5nm)/NiCo(40nm)/Ta(5nm).薄膜的各向异 置磁场· 性磁电阻变化率达到5%.设计了光刻板，通过甩 (1)分流偏置法：在平行于磁电阻元件膜面 胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电极、超声压焊等微加工 再制备一金属导电膜，它与AMR膜之间有绝缘 工艺制成单条磁电阻元件，其电阻值在1kΩ左 层，如图7(a)·在此复合层通一电流，其中一部分 右.测试时通过1mA的恒定电流，输出信号变化 电流通过偏置导体并在其周围产生磁场来作为偏 幅度在40mV以上.将磁电阻元件粘贴在一侧面 置磁场，这种方法的最大优点是简单，加工方便； 磁场约为1600Am永磁体表面，从而实现磁场 缺点是偏置场不足，难以达到最佳工作点，而且由 偏置，图8是该磁电阻元件的实际测量曲线，可 于输出信号被分流，降低了信号幅度 以看出，加偏置磁场后的元件工作点移到了O点 磁电阻层H偏置磁场 磁电阻层H偏置磁场 附近在士796Am范围内，线性相关系数约为 Π.02 导体绝缘层 1.01 绝缘层 水磁体 (a) (b) 1.00 图7外加偏置磁场的方式.()电流偏置法：(b)永磁体偏置 法 Fig.7 Methods of external bias magnetic field:(a)current bias:(b)hard magnetic field bias 0.97 (2)永磁层偏置法：在平行于磁电阻元件膜 面先制备一隔离层再制备一永磁体层，并加工成 0,94960 -4776-1592015924776 7960 /(A.m) 一定宽度和厚度，利用永磁体的磁场作为偏置磁 场，如图7()，该法的缺点是永磁层的磁畴较难 图8iC0单条磁电阻元件在1600Am偏置磁场下的信号 控制，从而会产生Barkhausen噪声山). 输出曲线 Fig-8 Output signal of a single NiCo AMR element with 1600 (3)邻近软磁层偏置法1]：其结构与永磁层 A-m external bias magnetic field
图5 AMR 磁头输出信号谐波分析对比 Fig．5 Harmonics analysis of AMR magnetic heads 图6 外加偏磁场时 AMR 磁电阻元件的信号输出曲线 Fig．6 Output signal of AMR elements with external bias magnetic field 通常有以下几种办法来给磁电阻元件施加偏 置磁场． （1） 分流偏置法：在平行于磁电阻元件膜面 再制备一金属导电膜它与 AMR 膜之间有绝缘 层如图7（a）．在此复合层通一电流其中一部分 电流通过偏置导体并在其周围产生磁场来作为偏 置磁场．这种方法的最大优点是简单加工方便； 缺点是偏置场不足难以达到最佳工作点而且由 于输出信号被分流降低了信号幅度． 图7 外加偏置磁场的方式．（a） 电流偏置法；（b）永磁体偏置 法 Fig．7 Methods of external bias magnetic field： （a） current bias；（b） hard magnetic field bias （2）永磁层偏置法：在平行于磁电阻元件膜 面先制备一隔离层再制备一永磁体层并加工成 一定宽度和厚度利用永磁体的磁场作为偏置磁 场如图7（b）．该法的缺点是永磁层的磁畴较难 控制从而会产生 Barkhausen 噪声［11］． （3）邻近软磁层偏置法［12］：其结构与永磁层 偏置法相同只是将永磁层变为软磁层．其工作 原理是通过磁电阻元件层的传感电流在周围形成 的磁场作用于邻近软磁层当电流达到某一值后 邻近软磁层被饱和磁化并与磁电阻元件层产生静 磁耦合从而在磁电阻元件层上施加一横向偏置 磁场．这种方法的特点是产生的横向偏置磁场较 大同时饱和的邻近软磁层处于单畴状态因此抑 制了 Barkhausen 噪声． 图8 NiCo 单条磁电阻元件在1600A·m －1偏置磁场下的信号 输出曲线 Fig．8 Output signal of a single NiCo AMR element with1600 A·m －1external bias magnetic field 用 NiCo 材料制备了单条磁电阻元件薄膜 成分为 Ni65Co35；薄膜样品的结构为硅基片／Ta （5nm）／NiCo（40nm）／Ta（5nm）．薄膜的各向异 性磁电阻变化率达到5％．设计了光刻板通过甩 胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电极、超声压焊等微加工 工艺制成单条磁电阻元件其电阻值在1kΩ左 右．测试时通过1mA 的恒定电流输出信号变化 幅度在40mV 以上．将磁电阻元件粘贴在一侧面 磁场约为1600A·m —1永磁体表面从而实现磁场 偏置．图8是该磁电阻元件的实际测量曲线．可 以看出加偏置磁场后的元件工作点移到了 O 点 附近在±796A·m —1范围内线性相关系数约为 Vol．28No．8 王立锦： 改善 AMR 薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 ·747·
,748 北京科技大学学报 2006年第8期 0.96,元件具有比较好的线性度， 80 2.4改变电极结构，采用Barber电极使电流与 磁化强度有一定夹角来改善磁电阻元件线 40 性度 Barber电极结构如图9所示l].磁电阻条 的磁化强度沿磁阻条的长度方向，由于良导体制 -20 作的Barber电极与磁电阻条方向倾斜45°，因此 40 也使电流流动方向与磁化强度方向的夹角为 -80 45°，此时磁电阻元件输出特性曲线如图10所示， -2388-1592-796079615922388 H(A-m) 零场附近是曲线线性最好、斜率最大的地方，因 此采用了这种电极以后大大提高了磁电阻元件在 图11采用Barber电极结构的磁电阻元件的输出特性曲线 弱磁场下的灵敏度，扩大了线性工作区，并且可以 实例 鉴别磁场的极性 Fig.11 Output characteristic curve of an AMR element with the Barber-pole structure Barber电极 磁电阻条 3结语 改善和扩大AMR金属薄膜磁电阻传感器线 性范围，不仅可以提高传感器的检测精度，而且可 图9 Barber电极结构示意图 Fig.9 Schematic map of the Barber-pole structure 以拓展传感器的应用范围，文中给出的几种方法 在实际应用中针对具体的应用环境和对象，可以 一种或几种方法结合在一起灵活使用，从而发挥 传感器最佳效能，达到最佳效果，另外，通过磁场 负反馈网络14、电路补偿或选用专用仪表放大器 IC也可以改善和弥补传感器非线性误差，随着 嵌入式微处理器的广泛应用，传感器的智能程度 输出电压变化 也越来越高，在微处理器程序处理中采用非线性 磁场变化 补偿法或函数运算法也可以减小传感器的非线性 误差 图10采用Barber电极结构的磁电阻元件的输出特性曲线 Fig-10 Output characteristic curve of an AMR element with 参考文献 Barber-pole [1]MeGuire T R.Potter R I.Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic 3d alloys.IEEE Trans Magn.1975,11(4): 用NiFe材料制备了Barber电极结构的电桥 1018 式磁电阻元件，薄膜成分为NisoFe2o;薄膜样品的 [2]Baibich M.Broto J,Fert A.et al.Giant magnetoresistance of 结构为硅基片/Ta(6nm)/NiFe(20nm)/Ta(3 (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices.Phys Rev Lett. nm)·薄膜的各向异性磁电阻变化率达到3%. 1988,61(21):2472 设计了光刻板，通过甩胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电 [3]Parkin SS P,Moreand N.Roche K P.Oscillations in ex change coupling and magnetoresistance in metallic superlattice 极、超声压焊等微加工工艺制成了Barber电极结 structures:Co/Ru.Co/Cr.and Fe/Cr.Phys Rev Lett. 构的电桥式磁电阻元件，其电阻值在800Ω左右， 1990,64:2304 图11是该磁电阻元件的实际测试曲线.测试时 [4]Hunt R A.Magnetoresistive readout transducer.IEEE Trans 加5V工作电压，输出信号变化幅度在140mV以 agn,1971,7(1):150 上，在士240Am范围内，线性相关系数约为 [5]Tsang C.Lin T,MacDonald S,et al.5 Gb/in2 recording 0.9997,具有非常好的线性度.磁场灵敏度约 demonst ration with conventional AMR dual element heads and 0.0035%(Am1)-,该指标接近Honeywell公 thin film disks.IEEE Trans Magn.1997.33(5):2866 [6]Pippard A B.Magnetoresistance in Metals.Cambridge :Cam- 司生产的HMC1001磁电阻传感器的技术指标 bridge University Press,1989 (0.0038%(Am-)-1). [7]翟宏如，鹿牧，赵宏武，等。多层膜的巨磁电阻.物理学进
0∙96元件具有比较好的线性度． 2∙4 改变电极结构采用 Barber 电极使电流与 磁化强度有一定夹角来改善磁电阻元件线 性度 Barber 电极结构如图9所示［13］．磁电阻条 的磁化强度沿磁阻条的长度方向由于良导体制 作的 Barber 电极与磁电阻条方向倾斜45°因此 也使电流流动方向与磁化强度方向的夹角为 45°此时磁电阻元件输出特性曲线如图10所示 零场附近是曲线线性最好、斜率最大的地方．因 此采用了这种电极以后大大提高了磁电阻元件在 弱磁场下的灵敏度扩大了线性工作区并且可以 鉴别磁场的极性． 图9 Barber 电极结构示意图 Fig．9 Schematic map of the Barber-pole structure 图10 采用 Barber 电极结构的磁电阻元件的输出特性曲线 Fig．10 Output characteristic curve of an AMR element with Barber-pole 用 NiFe 材料制备了 Barber 电极结构的电桥 式磁电阻元件薄膜成分为 Ni80Fe20；薄膜样品的 结构为硅基片／Ta （6nm）／NiFe （20nm）／Ta （3 nm）．薄膜的各向异性磁电阻变化率达到3％． 设计了光刻板通过甩胶、曝光、离子刻蚀、蒸镀电 极、超声压焊等微加工工艺制成了 Barber 电极结 构的电桥式磁电阻元件其电阻值在800Ω左右． 图11是该磁电阻元件的实际测试曲线．测试时 加5V 工作电压输出信号变化幅度在140mV 以 上在±240Am —1范围内线性相关系数约为 0∙9997具有非常好的线性度．磁场灵敏度约 0∙0035％ （A·m —1） —1该指标接近 Honeywell 公 司生产的 HMC1001磁电阻传感器的技术指标 （0∙0038％ （A·m —1） —1）． 图11 采用 Barber 电极结构的磁电阻元件的输出特性曲线 实例 Fig．11 Output characteristic curve of an AMR element with the Barber-pole structure 3 结语 改善和扩大 AMR 金属薄膜磁电阻传感器线 性范围不仅可以提高传感器的检测精度而且可 以拓展传感器的应用范围．文中给出的几种方法 在实际应用中针对具体的应用环境和对象可以 一种或几种方法结合在一起灵活使用从而发挥 传感器最佳效能达到最佳效果．另外通过磁场 负反馈网络［14］、电路补偿或选用专用仪表放大器 IC 也可以改善和弥补传感器非线性误差．随着 嵌入式微处理器的广泛应用传感器的智能程度 也越来越高在微处理器程序处理中采用非线性 补偿法或函数运算法也可以减小传感器的非线性 误差． 参 考 文 献 ［1］ McGuire T RPotter R I．Anisotropic magnetoresistance in ferromagnetic3d alloys．IEEE Trans Magn197511（4）： 1018 ［2］ Baibich MBroto JFert Aet al．Giant magnetoresistance of （001） Fe／（001） Cr magnetic superlattices．Phys Rev Lett 198861（21）：2472 ［3］ Parkin S S PMoreand NRoche K P．Oscillations in exchange coupling and magnetoresistance in metallic superlattice structures：Co／RuCo／Crand Fe／Cr．Phys Rev Lett 199064：2304 ［4］ Hunt R A．Magnetoresistive readout transducer．IEEE Trans Magn19717（1）：150 ［5］ Tsang CLin TMacDonald Set al．5 Gb／in2 recording demonstration with conventional AMR dual element heads and thin film disks．IEEE Trans Magn199733（5）：2866 ［6］ Pippard A B．Magnetoresistance in Metals．Cambridge ：Cambridge University Press1989 ［7］ 翟宏如鹿牧赵宏武等．多层膜的巨磁电阻．物理学进 ·748· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第8期