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1、巨磁阻效應與層結構分析

所謂磁阻效應是指導體或半導體在磁場作用下其電阻值發生變化的現象，巨磁阻效應在1988年由彼得?格林貝格（Peter Grünberg）和艾爾伯?費爾（Albert Fert）分別獨立發現，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。研究發現在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級厚度的非磁性材料分隔開來。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現象稱為“巨磁阻效應”。

巨磁阻效應可以用量子力學解釋,每一個電子都能夠自旋,電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過磁性層的電子就多，從而呈現低阻抗。反之當自旋方向和磁性材料磁化方向相反時，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，此時呈現高阻抗。

基于巨磁阻效應的傳感器其感應材料主要有三層：即參考層（Reference Layer或Pinned Layer），普通層（Normal Layer）和自由層（Free Layer）。如圖1所示，參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會受到外界磁場方向影響。普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開。自由層磁場方會隨著外界平行磁場方向的改變而改變。

圖1 巨磁阻層結構

如圖2所示，兩側藍色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時，電子較容易通過兩層磁性材料，因而呈現低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時，電子較容易通過，但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現高阻抗。

圖2 電子自旋與磁化方向示意圖

• 接下來本文針對NVE公司型號為AA005-02的巨磁阻傳感器，對其磁化狀態與阻態形式進行介紹。

如圖3所示，A為導電的非磁性薄膜層。在沒有外加磁場的狀態下，反鐵磁耦合的作用使得兩側的B層中的磁矩方向處于相反的狀態，此時，對流過元件的電流呈現高阻態。

圖3 高阻態形式

如圖4所示，當大于反鐵磁耦合的磁場作用于巨磁阻元件時，自由層磁化方向對齊外部磁場方向，此時，電阻急劇下降，對外呈現低阻態。電阻下降

圖4 低阻態形式

2、巨磁阻效應應用

以上為對巨磁阻效應的介紹，下面結合最近的研究工作對其進行進一步分析。
根據NVE公司給出的datasheet，采用圖5所示的電路進行布板，以及進行相關實驗，如圖5所示。

圖5 巨磁阻傳感器單運放放大電路

圖6 實際PCB板及實驗布置圖

實驗過程：將傳感器按5mm的步長遠離磁鐵方向，記錄其軸向上的一個巨磁阻傳感器在離磁鐵不同距離時的電壓值，采用了兩個傳感器以保證實驗的正確性，得到的結果如圖7所示。

圖7 巨磁阻軸向傳感器磁特性測量

圖8 巨磁阻磁特性參數表

結合圖7和圖8，可以得出以下結論：

1. 傳感器隨著磁場的增大，電壓值增大；

2. 本實驗傳感器在20mm處達到飽和；

3. 傳感器在達到飽和磁場后，隨著磁場的增加，電壓值減小。

針對上述結論與NVE公司給出的該傳感器磁特性（圖9）做對比，發現圖9當中在傳感器達到飽和磁場之后的電壓值是維持不變的，與本實驗得到的結論不符。

圖9 NVE公司-外加磁場與電壓值的關系

針對以上結論與datasheet不符的情況，查閱資料和文獻發現，如圖10所示的情況，當外部磁場太弱時自由層不能很好的對應外部磁場，表現為在0磁場附近，電壓與磁場強度并非嚴格的線性關系，而當外部磁場過強時，參考層將會受到影響產生偏移，導致參考層也逐漸對齊外部磁場，從而導致當巨磁阻傳感器達到飽和之后，增大磁場強度，電壓值出現下降趨勢。

圖10 外部磁場強度與兩磁性層的關系