巨磁阻效应分析与应用

1、巨磁阻效应与层结构分析

所谓磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象，巨磁阻效应在1988年由彼得•格林贝格（Peter Grünberg）和艾尔伯•费尔（Albert Fert）分别独立发现，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。研究发现在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，这一现象称为“巨磁阻效应”。

巨磁阻效应可以用量子力学解释,每一个电子都能够自旋,电子的散射率取决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，则电子散射率就低，穿过磁性层的电子就多，从而呈现低阻抗。反之当自旋方向和磁性材料磁化方向相反时，电子散射率高，因而穿过磁性层的电子较少，此时呈现高阻抗。

基于巨磁阻效应的传感器其感应材料主要有三层：即参考层（Reference Layer或Pinned Layer），普通层（Normal Layer）和自由层（Free Layer）。如图1所示，参考层具有固定磁化方向，其磁化方向不会受到外界磁场方向影响。普通层为非磁性材料薄膜层，将两层磁性材料薄膜层分隔开。自由层磁场方会随着外界平行磁场方向的改变而改变。

图1 巨磁阻层结构

如图2所示，两侧蓝色层代表磁性材料薄膜层，中间橘色层代表非磁性材料薄膜层。绿色箭头代表磁性材料磁化方向，灰色箭头代表电子自旋方向，黑色箭头代表电子散射。左图表示两层磁性材料磁化方向相同，当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，因而呈现低阻抗。而右图表示两层磁性材料磁化方向相反，当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，因而呈现高阻抗。

图2 电子自旋与磁化方向示意图

接下来本文针对NVE公司型号为AA005-02的巨磁阻传感器，对其磁化状态与阻态形式进行介绍。

如图3所示，A为导电的非磁性薄膜层。在没有外加磁场的状态下，反铁磁耦合的作用使得两侧的B层中的磁矩方向处于相反的状态，此时，对流过元件的电流呈现高阻态。

图3 高阻态形式

如图4所示，当大于反铁磁耦合的磁场作用于巨磁阻元件时，自由层磁化方向对齐外部磁场方向，此时，电阻急剧下降，对外呈现低阻态。电阻下降

图4 低阻态形式

2、巨磁阻效应应用

以上为对巨磁阻效应的介绍，下面结合最近的研究工作对其进行进一步分析。
根据NVE公司给出的datasheet，采用图5所示的电路进行布板，以及进行相关实验，如图5所示。

图5 巨磁阻传感器单运放放大电路

图6 实际PCB板及实验布置图

实验过程：将传感器按5mm的步长远离磁铁方向，记录其轴向上的一个巨磁阻传感器在离磁铁不同距离时的电压值，采用了两个传感器以保证实验的正确性，得到的结果如图7所示。

图7 巨磁阻轴向传感器磁特性测量

图8 巨磁阻磁特性参数表

结合图7和图8，可以得出以下结论：

传感器随着磁场的增大，电压值增大；
本实验传感器在20mm处达到饱和；
传感器在达到饱和磁场后，随着磁场的增加，电压值减小。

针对上述结论与NVE公司给出的该传感器磁特性（图9）做对比，发现图9当中在传感器达到饱和磁场之后的电压值是维持不变的，与本实验得到的结论不符。

图9 NVE公司-外加磁场与电压值的关系

针对以上结论与datasheet不符的情况，查阅资料和文献发现，如图10所示的情况，当外部磁场太弱时自由层不能很好的对应外部磁场，表现为在0磁场附近，电压与磁场强度并非严格的线性关系，而当外部磁场过强时，参考层将会受到影响产生偏移，导致参考层也逐渐对齐外部磁场，从而导致当巨磁阻传感器达到饱和之后，增大磁场强度，电压值出现下降趋势。

图10 外部磁场强度与两磁性层的关系

参考：巨磁阻传感器原理及其应用