巨磁电阻角度传感器的研制

1巨磁电阻角度传感器的研制陈家新（安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥230039）摘要：传感器是一种技术密集，多学交叉的产品，传感器技术的发展水平标志着现在化工业技术和生产力发展的高低，并直接影响着世界各国在科技，经济，工业生产以及军事等领域中的竞争力。近年来，传感器技术的主要研究方向，一是基础研究方面，研究新发现与新效应，开发新材料和新工艺，二是实现传感器的微型化，集成化和智能化，因此本论文主要介绍巨磁电阻效应的发现，巨磁电阻效应的原理以及应用，并重点对巨磁电阻角度传感器的工作原原理以及研制进行深刻的分析。关键词：巨磁电阻；角度传感器；自旋阀，磁场。PreparationofgiantmagnetoresistanceangularsensorChenJia-xin(SchoolofPhysics&MaterialScience,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)AbstractIntroductiondiscoveryofgiantmagnetoresistance,giantmagnetoresistanceeffectandtheapplicationoftheprinciplesandprioritiesoftheoriginalprincipleoftheGMRanglesensorandthedevelopmentwillbedescribed.Keywordsgiantmagnetoresistance；anglesensor；spinvalve；magneticfield1背景随着工业化的迈进，传感器因为自身具有鲁棒性能高，非接触式测量，能在恶劣的环境下工作的特点而备受欢迎，21世纪是信息的时代，信息技术对科技和社会的发展的推动作用越来越大，而传感器则是获取自然和生产领域中信息的主要途径。在工业领域内，巨磁电阻传感器种类繁多，而角度传感器正是其中的一种，它主要用来测量转动部件和固定部件之间的角度变化，角度是一种重要的物理量，是机械，仪器仪表以及电子制造业当中不可或缺的量，它们的精度对产品的质量有着至关重要的作用，如控制手臂头部和其他部件的位置，因此本论文就巨磁电阻角度传感器进行着重的研究和分析。2巨磁电阻效应巨磁电阻效应，指的是磁性材料的电阻率在外加磁场的作用下较之无外加磁场作用时存在巨大变化的现象，巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成，而当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻，当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大，上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料，铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料，巨磁电阻来源于磁性材料导体中传导电子的自旋相关散射，也即散射势与自旋有关。巨磁电阻效应被发现后，迅速得到了发展，也引发了科学和技术的飞速发展。开创了自旋电子学这一具有巨大科学意义的新领域。目前常用的巨磁电阻效应的材料主要有以下几种：22.1磁性金属多层膜巨磁电阻在多层膜中，巨磁电阻效应不会受到磁场方向的影响，在外磁场的介入后由程增大，所受到的散射却反而减小。这说明了电子的输运与电子的自旋散射中自旋取向的传导电子的散射比对另一种自旋取向的传导电子的散射更强。在磁场磁化方向反平行下，多层膜的电阻会变大，在室温下，多层膜巨磁电阻的变化率会达到10%。磁性金属多层膜巨磁电阻材料类别非常多，但是因为在多层膜巨磁电阻材料中时常会出现较大的层间交换耦合作用，需要外加很大的饱和磁场才产生巨磁电阻效应，所以它们的灵敏度不高，在实际应用中效果并不大。2.2颗粒膜巨磁电阻颗粒膜巨磁电阻是微颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合材料体系，原则上来说，颗粒的组成与薄膜的组成在制备条件下应互不固溶，也因此使得颗粒膜区别于合金，化合物，属于非均匀相组成的颗粒膜，虽然如此，但二者还是有很多相似的地方，颗粒膜和多层膜都属于二相或者多相非均匀体系，唯一不同的是纳米微粒在颗粒膜中呈现出混乱的统计分布，而在多层膜中的分布具有人工周期结构，因此可以存在一定的空间取向关系，但是二者都在不同的领域扮演重要的角色，当研究物理理论问题的时候，多层膜远远比颗粒更加方便，相应的，在实际应用中，更多的是采用工艺制备颗粒膜技术。2.3自旋阀巨磁电阻自旋阀其实是一种特殊的磁性多层膜，典型的自旋阀结构包括四层金属膜：第一层是自由的磁性层；二层非磁性的导电隔离层；三层是被钉扎的磁性层；四层是钉扎的反铁磁性层。自旋阀具有如下优点：（1）磁电阻变化率对外磁场的响应呈现线性关系，频率特性好；（2）低饱和场，工作磁场小；（3）与AMR相比，电阻随磁场变化迅速，因而操作磁通小，灵敏度高；（4）利用层间转动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声，信噪比高，因而它率先进入实用阶段，1994年，IBM公司宣布成功研制出读磁头为自旋阀结构的硬盘驱动器，随后，世界各大公司纷纷公布各自GMR硬盘驱动器读出磁头的雏形，从目前的发展形式来看，自旋阀是新一代高密度读出磁头的首选方案。2.4磁隧道结巨磁电阻在磁隧道结中，两个铁磁层被一个非常薄的非磁性绝缘层隔离。电流通过电子量子隧穿效应垂直流过膜面。当两磁性层的磁化方向一致时，隧道电阻最小，反之，隧道电阻最大，它的磁电阻效应很大，饱和磁场小，一一般在1~100Oe范围，所以灵敏度高，典型的采用氧化铝绝缘层的磁隧道结磁电阻变化率能达到40%，因而具有很大的实用价值。但是就目前而言，磁隧道结巨磁电阻还有很多问题有待解决。3巨磁电阻效应的应用巨磁电阻材料具有室温下磁电阻大，磁场灵敏度高，饱和磁场低，温度特性好，稳定性高等优点，并且制作与集成电路工艺兼容，容易实现微型化集成化，成本低廉。由于以上优点，巨磁电阻很快得到了实际应用。3.1磁存储技巨磁电阻效应自从被发现以来主要被用于开发研制用于磁盘的体积小而灵敏的数据读出头。这就使得存储单字节数据所需要的磁性材料尺寸大大减少，从而使得磁盘的存储能力得到很大程度的提高。1998年，美国的IBM公司终于成功的把GMR效应应用在计算机硬盘驱动上，研制出了巨磁电阻效应的磁头，截止目前，巨磁电阻技术已经成为全世界几乎所有包括电脑，数码相机，MP3播放器在内的数码产品的标准技术。33.2巨磁电阻传感器利用巨磁电阻效应研究开发出的巨磁电阻传感器芯片，具有体积小，灵敏度高，温度特性好，可靠性高，成本低功耗低以及可以工作于恶劣环境等优点，这与传统的传感器相比具有明显的优势，目前巨磁电阻效应已经在一些传感器技术领域获得了巨大成功的应用。利用巨磁电阻效应制备出来的传感器与传统的金属薄膜磁组件最大的不同在于对弱磁场的灵敏度高，对磁场的方向变化更加敏感，巨磁电阻效应器件的电阻值随磁场强度的方向的变化关系为：R=R0+?0.55△R(1-cosa)（1）式中的R0为巨磁电阻器件在无磁场下电阻值，△R为在有磁场下的电阻值，a为磁场强度的空间方向，其值为0～360°，其原理示意图如下4巨磁电阻角度传感器的结构设计传感器的结构对功耗。灵敏度，量程，重复性，线性度以及动态特性等很大影响，巨磁电阻角度传感器主要是把外界磁场方向的变化转化为电阻的变化，制作流程很简单，只需要制作电阻元件即可，而自旋阀巨磁电阻材料的电阻变化很小，并且电阻变化不易于测量，所以通常采用惠斯通电桥把微小电阻的变化测量量转化成电压或者电流的变化。其几本形式如下：全桥式惠斯通电桥必须保证四个桥臂的敏感电阻的变化方向不同，而自旋阀巨磁电阻的电阻变化与磁场方向和自身磁化方向相对取向有关，如果四个电阻都采用自旋阀制备，就一定要保证四个电阻的磁化方向不同，因此根据上面图可得到如下公式：Vout=Vin(R4R4+R2-R3R1+R3)（2）当R1=R2=R3=R4时，输出就为0，电桥处于平衡状态，在本设计中，采用单4臂电桥，即一个桥臂采用巨磁电阻，其余桥臂为定值电阻，4个电阻初始值相同，电桥采用恒压源供电。4.1角度传感器的流程设计主要包括以下几个流程：制备自旋阀薄膜，用光刻刻蚀形成电阻，制备二氧化硅隔离层，光刻并刻蚀通孔，制备薄膜电阻，制备二氧化硅隔离层，再光刻并且刻蚀通孔，淀积电极薄膜，最后一步，就是光刻刻蚀电极，但是这种工艺步骤太多，成本太高，所以实际应用并不可取，因此采取以下的步骤：（1）通过物理溅射制备自旋阀巨磁电阻多层膜，这是最重要的一步，多层膜制备好后要在一定的磁场强度下进行退火处理，来确定自旋阀的磁化方向。（2）通过光刻所得到的自旋阀巨磁电阻图形复制到多层膜上。（3）把光刻胶作为掩膜在刻蚀的作用下将多余的多层膜去除掉，制备自旋阀巨磁电阻。（4）在光刻作用下，将与电阻互补的图形复制到光刻胶上面。（5）采用电子束蒸发沉积电阻薄膜。（6）清洗光刻胶，光刻胶顶部上面的薄膜会随着光刻胶一起被去除，从而留下所需要的电阻图形。（7）通过光刻作用将与电极互补的图形复制到光刻胶上面。（8）电子蒸发沉积金属薄膜。、（9）清洗光刻胶，制作电极。4.1.1自旋阀巨磁电阻磁性多层膜的制备自旋阀多层膜的制备主要是采用了溅射技术而成，磁控溅射是为了在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率，通过在靶阴极引入磁场，利用磁场对带点微粒的束缚来提高等离子体密度以增加溅射率的方法，本设计是在硅基片上制备而成的，主要结构为Ta/NiFeCr/PtMn/CoFe/Ru/CoFe/NOL/CoFe/Cu/NiFe/Ta这些结构比自旋阀结构做了一些改进，其中NiFeCr/PtMn/CoFe为反铁层，CoFe为铁扎层，Ru为反铁磁层与钉扎层之间的隔离层，NOL为纳米氧化层，称为反射层，将它插于自由层与钉扎层之间可以提高磁电阻效应。这是由于电子在金属与绝缘层界面处的特殊散射作用。CoFe/Cu/NiFe为自由层。Ta为缓冲层和覆盖层，在溅射完成后，为了确定自旋阀的自由层和被钉扎层的磁化方向，需要在一定的磁场强度下进行退火处理。退火处理还可以降低自旋阀的矫顽力。5自旋阀多层膜的磁化方向4.1.2将巨磁电阻图形转移到多层膜上通过光刻工艺和刻蚀技术，将巨磁电阻图形转移到金属板上面。以下是实物照片：4.1.3制备自旋阀巨磁电阻在半导体元件的制备过程中，光刻是个非常重要的工艺步骤，是将设计的元件转移到半导体晶圆上的必经过程。光刻要经过以下步骤：首先，在得到的晶圆表面上涂上一层光刻胶，然后用一束指定的光线透过掩膜板上的图形照射到光刻胶上，最后是进行光刻工艺。光刻工艺又分为以下几个部分：（1）基片清洗，将样品放入丙酮中用超声清洗8分钟，然后在酒精中超声8分钟，最后用离子水清洗。（2）旋涂光刻胶，在样品上滴上一定量的光刻胶，并放到匀胶机上搅拌旋转一分钟，使光刻胶分布均匀。（3）烘胶，就爱那个样品放入烘胶台上，烘烤两分钟。（4）曝光，将掩膜板与样品上涂有光刻胶的位置对准，在紫外光源的照射下曝光18秒即可。（5）后烘，放入烘胶台再次烘烤两分钟，温度设置为90°C。（6）显影，将光刻胶侵入苏州瑞红RZX-3038显影液中35秒，然后用去离子水清洗后甩干。（7）坚膜烘培，在120°C高温下烘培20分钟，挥发出光刻胶中残留的杂质以此来稳固光刻胶，提高与衬底表面的粘附性。4.1.4制备电阻和电极电极和电阻制备过程相同，都需要用到金属Ti。通常采用电子束蒸发和剥离技术来制备，制备过程步骤一般如下：第一步采6用光刻技术在衬底上形成厚光刻胶图案，然后采用电子束蒸发沉积金属薄膜，但是由于此方法制备薄膜的的台阶覆盖性过差，部分金属薄膜可能会断开，因此在制备过程中要注意，最后是进行剥离工艺，剥离工艺简单，只需要超声清洗，而且避免了刻蚀工艺对衬底的伤害，但是剥离工艺也存在一定的缺陷，即表面形貌要求要非常平整光滑，薄膜与衬底附着性要好，以避免在清洗过程中脱落。以下是剥离工艺流程图：4.1.5封装制作器并测试性能封装是将电性能良好的芯片装入管壳并用引线把电极和管壳脚连接的工艺工程，主要流程如下：它是先从硅片上切割得到划片，再将合格的芯片粘结在底座的基