1、巨磁阻效應與層結(jié)構(gòu)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(fā)生變化的現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)
如圖2所示，兩側(cè)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(xiàn)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(xiàn)高阻抗。
圖2 電子自旋與磁化方向示意圖
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(tài)下，反鐵磁耦合的作用使得兩側(cè)的B層中的磁矩方向處于相反的狀態(tài)，此時，對流過元件的電流呈現(xiàn)高阻態(tài)。
圖3 高阻態(tài)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?qū)R外部磁場方向，此時，電阻急劇下降，對外呈現(xiàn)低阻態(tài)。電阻下降
圖4 低阻態(tài)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(jié)合最近的研究工作對其進行進一步分析。
根據(jù)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(jié)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(shù)表
結(jié)合圖7和圖8，可以得出以下結(jié)論：
傳感器隨著磁場的增大，電壓值增大；
本實驗傳感器在20mm處達到飽和；
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(jié)論與NVE公司給出的該傳感器磁特性（圖9）做對比，發(fā)現(xiàn)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(jié)論不符。
圖9 NVE公司-外加磁場與電壓值的關系
針對以上結(jié)論與datasheet不符的情況，查閱資料和文獻發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)下降趨勢。
圖10 外部磁場強度與兩磁性層的關系
