巨磁阻效应及其传感器的原理和应用
一、 概述
对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r描述。研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。 1、分类
GMR材料按其结构可分为具有层间偶合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀多层膜（例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如AMnO3）等结构；其中自旋阀（spin
valve）多层膜又分为简单型和对称型两类；也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类的。
2、巨磁电阻材料的进展
1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间偶合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δr/r在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜（如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n）。
1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的材料（例如Co和Fe20Ni80）制成Co/Cu/ Fe20Ni80/Cu多层膜，他们发现，当Cu层厚度大于5nm时，层间偶合较弱，此时利用磁场的强弱可改变磁矩的方向，以自旋取向的不同来控制膜电阻的大小，从而获得GMR效应，故称为自旋阀。
与此同时，1992年A.E.
Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co与Cu、Ag分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应，在低温下其Δr/r可达（40~60）%。随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag等颗粒多层膜。
1993年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR更大的磁电阻效应，即colossal magneto-
resistance（CMR）庞磁电阻效应，开拓了GMR研究的新领域。
GMR效应的理论是复杂的，许多机理至今还不清楚；对于这些理论也分为层间交换偶合（IEC）、磁性多层膜的GMR、隧道磁电阻（TMR）等类型，详情可参阅有关文献。
3、巨磁电阻传感器的进展 在发现低磁场GMR效应之后，1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR器件—自旋阀。同年，美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了17倍，达5Gbit/6.45cm2（in2），目前已达11Gbit/6.45cm2（in2）。这种效应也开始用于制造角度、位置传感器；用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等领域。作为传感器它具有功耗小、可靠性高、体积小、价格便宜和更强的输出信号等优点。最近已研制出利用CMR效应的位置传感器。2000年7月在德国的德雷斯顿举行的第3届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上，关于GMR传感器的论文占论文总数的1/3以上，可见人们的关注程度。
表1自旋阀GMR代表值特性表
样品膜结构 [Fe（4.5）/Cr（12）]50 [Co（15）/Cu（9）]30 [Co（8）/Cu（8.3）]60 [Co（10）/Cu（10）]100 Co（25）/Cu（19）/Co（4）/Cu（19）/Co（25） Co（3）/Cu（19）/Co（25） Co90/Fe10（40）/Cu（25）/Co90Fe10（8） NiFe（100）/Cu（25）/Co（22） CoFe/AgCu（15）/CoFe Fe（60）Co（8）/Cu（23）/AAF/Cu（23）/Co（8）Fe（60） [Co（30）/Cu（50）/NiFe（30）/Cu（50）]15 [Co（15）/Cu（12）]n [Co（12）/Cu（11）]180 NAF/SAFCoFe（25）/Cu（20）/CoFe（25） 结构形式 多层 多层 多层 多层 多层 对称自旋阀 底部自旋阀 顶部自旋阀。 3层结构 平行双自旋阀 Δρ/ρ（%） 220 42 78 48 115 65 80 24.8 19 7 4.6 4-7 6 温度（K） 1.5 300 4.2 300 4.2 4.2 300 300 300 300 300 300 300 备注 Philips公司 IBM公司 NVE公司 Siemens公司 多层 多层 多层 底部自旋阀 9.9 170 55 13 300 4.2 300 300 二、磁性多层膜的巨磁电阻效应
1、磁性层间偶合多层膜
图4 Cu-Co合金颗粒膜GMR效应 图5钙钛矿氧化物的CMR效应特性曲线 图6 La-Y-Ca-Mn-OCMR
效应曲线
磁性层间偶合多层膜和自旋阀多层膜的主要区别是：前者采用层间偶合方式进行信号传递；后者采用控制磁矩取向方式进行信号传递。
层间偶合多层膜结构通常由铁磁金属（FM）层和非磁性金属（NM）层交替生成，其通式为：CM/FM/NM…/FM/CM（1）
式中：CM—上下两侧的覆盖层(或称缓冲层)为金属材料,有无皆可。 1988年法国的M.N.Baibich等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters上发表了有关Fe/Cr巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺（MBE）制成Fe（100）/Cr（100）规则型点阵多层膜结构。在这种（Fe/Cr）n结构中，Fe为强铁磁性金属，Cr为反铁磁性金属，n为Fe和Cr的总层数。它是采用MBE工艺将Fe（100）/Cr（100）生长在GaAs芯片上，其工艺条件是，保持MBE室内剩余压力为6.7´10-9Pa，芯片温度约20°C，淀积速率：对于Fe为0.06nm/s；对于Cr为0.1nm/s。它们每层的厚度约（0.9～9）nm，通常为30层。为获得上述淀积速率，还专门设计了坩埚蒸发器。经实验发现，当Cr的厚度小于（0.9～3）nm时，它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性（AF）的磁滞回线斜率逐渐增大。图1显示了Fe层为3nm，Cr层分别为0.9nm、1.2nm和1.8nm，磁感应强度B在±2T范围内，热力学温度T=4.2K，n=30、35、60时，3个不同样本的特性。随着Cr厚度的增加和总层数的降低，Δr/r也升高，而且高斯磁场强度HS越弱，Δr/r越高，当HS≈2T时，[Fe（3nm）/Cr0.9nm]60膜的Δr/r
可达50%以上。实验还发现，即使温度升至室温，HS降低了30%，Δr/r也可达到低温值的一半，这一结论具有十分大的实用价值。 随后人们发现了大量层间偶合多层膜中GMR效，如（Co/Cu）n、（Co/Ru）n、（CoFe/Co）n、（Co/Ag）n、（NiFe/Cu）n、（NiCo/Cr）n、（NiFeCo/Cu/Co）n、（NiFeCo/Cu/Co）n和（NiFeCo/Al+Al2O3/Co）n等材料。这些材料在室温下的Δr/r也都达到10%以上甚至更高 。 2.自旋阀多层膜
简单型自旋阀通常是由一层NM（例如Cu）和两层FM组成。与多层结构不同，具有扎钉磁化取向特性的第一FM层作为参考层，适当的选择Cu层的厚度，使它仅将微弱的磁场信号偶合到作为敏感层的第二FM层。通常的扎钉功