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 magnetore￾sistance （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 2‚ρθ／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⊥）／3‚ρav 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