改善AMR薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法.pdf_大学文库

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·

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

Vol.28 No.8 王立锦：改善AMR薄膜磁电阻传感器线性度的几种方法 .749. 展，1997,17：159 [11]Decker S.Tsang C.Magnetoresistive response of small [⑧]王立锦，胡强，膝蛟，等.高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁 Permalloy features.IEEE Trans Magn.1980.16(5):643 场分析与AMR检测磁头设计.北京科技大学学报，2004， [12]Beaulieu T J.Nepala D A.Induced Bias Magnetoresistive 26(5):498 Read Transducer:US Patent,864751.1975-02-04 [9]史月艳，殷志强，吴家庆，等.物理电子技术材料与工艺 [13]Feng J,Romankiw L.Thompson D.Magnetic self-bias in 北京：国防工业出版社，1995 the Barber pole MR structure.IEEE Trans Magn.1977,13 [10]Miyashita K.Takahashi T.Kawamata S,et al.Nocontact (5):1466 magnetic torque sensor.IEEE Trans Magn.1990.26(5): [14]Niet E.Vrechen R.A Magnetoresistive read with magnetic 1560 feedback.IEEE Trans Magn.1979.15(6):1625 Several methods to improve the linearity of AMR sensors WANG Lijin Materials Science and Engineering School.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Several methods to improve the linearity of anisotropic magnetoresistance (AMR)sensors were suggested based on the analysis of the generation of nonlinearity in magnetoresistive sensors of metallic films.NisoFe2o and Ni6sCo35 AMR thin films were prepared by DC magnetic sputtering.Some AMR sen- sors were made by the micro-fabrication technique,and the testing results were also presented. KEY WORDS metallic films:anisotropic magnetoresistance effects;sensor;linearity;microfabrication Effects of aging on the microstructures and mechanical properties of extruded AM50xCa magnesium alloys WANG Qudong,PENG Jianguo),Suery Michel2),Jean-Jacques Blandin2 1)National Engineering Research Centre of Light Alloys Net Forming.School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong Univer sity.Shanghai 200030.China 2)Institute National Polytechnique de Grenoble (INPG).Genie Physique et Mecanique des Mat eriaux(GPM2).UMR CNRS 5010.ENSPG. BP46.38402 Saint-Martin d'Heres Cedex,France ABSTRACI The effects of aging treatment on the microstructures and mechanical properties of extruded AM50+xCa alloys (x=0,1%.2%in mass fraction)were studied.The results indicated the secondary phase Mg7Aliz precipitated from the saturated Mg solid solution while AlCa changed slightly when the aging time was increased.The hardness of extruded AM50Ca alloys increased initially to its peak,and then dropped to reach its original hardness with the increase in aging time.With the increase in aging tem- perature.the hardness of the AM50-+2Ca alloy decreased,whereas the hardness of AM50 and AM50+1Ca alloys decreased in the initial stages of aging treatment and increased in the later stages of aging treatment. The tensile strengths of AM50 and AM501Ca alloys increased after aging treatment for the precipitation of Mg17Al12 phase,which increases the resistance against dislocation movement at the grain boundary;with increase in aging temperature,their tensile strengths increased.For AM502Ca alloy,the tensile strength declined after aging at 150C and 175C,while it increased slightly at 200C.The ductility of AM50+ xCa alloys (=0.1%.2%)declined after aging treatment. KEY WORDS AM50+xCa alloys:aging:extrusion:mechanical properties [摘自Rare Metals,2006,25(4):377]

展199717：159 ［8］王立锦胡强滕蛟等．高分辨磁旋转编码器磁鼓表露磁场分析与 AMR 检测磁头设计．北京科技大学学报2004 26（5）：498 ［9］史月艳殷志强吴家庆等．物理电子技术材料与工艺．北京：国防工业出版社1995 ［10］ Miyashita KTakahashi TKawamata Set al．No-contact magnetic torque sensor．IEEE Trans Magn199026（5）： 1560 ［11］ Decker STsang C．Magnetoresistive response of small Permalloy features．IEEE Trans Magn198016（5）：643 ［12］ Beaulieu T JNepala D A．Induced Bias Magnetoresistive Read Transducer：US Patent864751．1975—02—04 ［13］ Feng JRomankiw LThompson D．Magnetic self-bias in the Barber pole MR structure．IEEE Trans Magn197713 （5）：1466 ［14］ Niet EVrechen R．A Magnetoresistive read with magnetic feedback．IEEE Trans Magn197915（6）：1625 Several methods to improve the linearity of AMR sensors WA NG L ijin Materials Science and Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Several methods to improve the linearity of anisotropic magnetoresistance （AMR） sensors were suggested based on the analysis of the generation of nonlinearity in magnetoresistive sensors of metallic films．Ni80Fe20and Ni65Co35 AMR thin films were prepared by DC magnetic sputtering．Some AMR sensors were made by the micro-fabrication techniqueand the testing results were also presented． KEY WORDS metallic films；anisotropic magnetoresistance effects；sensor；linearity；microfabrication Effects of aging on the microstructures and mechanical properties of extruded AM50＋xCa magnesium alloys WA NG Qudong 1）PENG Jianguo 1）Suéry Michel 2）Jean-Jacques Blandin 2） 1） National Engineering Research Centre of Light Alloys Net FormingSchool of Materials Science and EngineeringShanghai Jiaotong UniversityShanghai200030China 2） Institute National Polytechnique de Grenoble （INPG）Génie Physique et Mécanique des Matériaux （GPM2）U MR CNRS5010ENSPG BP4638402Saint-Martin d’Hères CedexFrance ABSTRACT The effects of aging treatment on the microstructures and mechanical properties of extruded AM50＋ xCa alloys （ x＝01％2％ in mass fraction） were studied．The results indicated the secondary phase Mg17Al12precipitated from the saturated α—Mg solid solution while Al2Ca changed slightly when the aging time was increased．The hardness of extruded AM50＋ xCa alloys increased initially to its peakand then dropped to reach its original hardness with the increase in aging time．With the increase in aging temperaturethe hardness of the AM50＋2Ca alloy decreasedwhereas the hardness of AM50and AM50＋1Ca alloys decreased in the initial stages of aging treatment and increased in the later stages of aging treatment． The tensile strengths of AM50and AM50＋1Ca alloys increased after aging treatment for the precipitation of Mg17Al12phasewhich increases the resistance against dislocation movement at the grain boundary；with increase in aging temperaturetheir tensile strengths increased．For AM50＋2Ca alloythe tensile strength declined after aging at 150℃ and175℃while it increased slightly at 200℃．The ductility of AM50＋ xCa alloys （ x＝01％2％） declined after aging treatment． KEY WORDS AM50＋ xCa alloys；aging；extrusion；mechanical properties ［摘自 Rare Metals200625（4）：377］ 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 ·749·