偏置磁場對自旋閥傳感器性能的影響研究*

李健平， 孫宇澄， 童 杰， 王 輝， 黃 巍， 何寧發(fā)

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機械與電子工程學(xué)院，廣東 珠海 519090； 2.四川大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

偏置磁場對自旋閥傳感器性能的影響研究*

李健平1， 孫宇澄2， 童 杰1， 王 輝1， 黃 巍2， 何寧發(fā)1

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，廣東珠海519090；2.四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610065)

通過測試自旋閥傳感器在沿垂直于敏感軸方向施加偏置磁場條件下的磁場響應(yīng)曲線，研究了偏置磁場對自旋閥傳感器磁滯、非線性度和靈敏度等性能參數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明：隨著偏置磁場的增加，自旋閥傳感器的磁滯、非線性度和靈敏度均減小，并且靈敏度與偏置磁場大小成反比關(guān)系。研究結(jié)果可為自旋閥傳感器的應(yīng)用提供理論支撐。

自旋閥傳感器； 偏置磁場； 磁滯； 靈敏度

0 引 言

自1991年自旋閥[1]材料被發(fā)現(xiàn)以來，即受到了廣泛關(guān)注。由于其具有低飽和磁場、高線性度、易于與硅半導(dǎo)體電路集成等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于磁場傳感器[2～4]、計算機硬盤讀頭[5～7]、磁電信號隔離耦合器[8～10]及電子羅盤[11]等。在一些應(yīng)用場合，如電子羅盤中，待測磁場的方向并不一定沿自旋閥傳感器的敏感軸，此時，待測磁場沿垂直于敏感軸方向的分量將會起到一個偏置磁場的作用，對傳感器的性能造成一定影響。本文利用基于二維亥姆霍茲線圈的磁傳感器測試系統(tǒng)，測試了自旋閥傳感器在外加不同偏置磁場下的磁場響應(yīng)曲線，并根據(jù)測得的磁場響應(yīng)曲線分析了偏置磁場對性能參數(shù)的影響。

1 實 驗

自旋閥傳感器可通過一系列類似于半導(dǎo)體集成電路的工藝進行制備[3,12]，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。自旋閥傳感器的基本結(jié)構(gòu)為4個自旋閥電阻條組成的惠斯通電橋，其中，一個對角上的2個電阻器R1，R3的釘扎方向與另一個對角上的2個電阻器R2，R4相反。因此，在信號磁場的作用下，R1和R3的電阻值將變化+ΔR而R2和R4的電阻值將變化-ΔR，從而使整個電橋失衡形成一個正比于信號磁場的電壓輸出。

圖1 自旋閥傳感器電路結(jié)構(gòu)示意

圖2為實驗所用的二維亥姆霍茲線圈，待測自旋閥傳感器的敏感軸沿其中一維，則該維與敏感軸平行的線圈可用于產(chǎn)生信號磁場，而另一維則可沿垂直于敏感軸的方向產(chǎn)生偏置磁場。利用此設(shè)備，測試了自旋閥傳感器在不同偏置磁場下的磁場響應(yīng)曲線，并根據(jù)曲線計算出自旋閥傳感器的靈敏度(sensitivity)磁滯(hysteresis)和非線性度(unlinearity)等性能參數(shù)。

圖2 二維亥姆霍茲線圈

圖3為自旋閥傳感器磁場響應(yīng)曲線，其中“Forward”代表信號磁場由A向B變化，反之為“Reverse”，Vd為同一信號磁場下，傳感器在正、反行程中所對應(yīng)的輸出電壓的最大偏差。虛線為上、下兩端點(A,B)的連線；ΔV為當(dāng)信號磁場變化時，傳感器輸出電壓的變化量；ΔH為信號磁場的變化量。本文將以此圖為例說明自旋閥傳感器靈敏度、磁滯和非線性度等性能參數(shù)的定義。

圖3 自旋閥傳感器磁場響應(yīng)曲線示意

靈敏度定義為在傳感器的線性范圍之內(nèi)的輸出電壓變化值與信號磁場變化量的比值再除以電源電壓即

(1)

式中V為電源電壓VCC。

磁滯特性反映了傳感器在正向(輸入量增大)和反向(輸入量減小)行程期間，輸入—輸出特性曲線不一致的程度，可表示為

(2)

式中Vup為上端點B輸出電壓；Vlow為下端點A的輸出電壓。

非線性度反映了自旋閥傳感器的實際靜態(tài)特性輸出曲線與擬合直線的偏差程度，可表示為

(3)

式中Vdf為對于同樣的信號磁場，傳感器的實際特性曲線對應(yīng)的輸出電壓與擬合直線對應(yīng)的輸出電壓的最大偏差；Vup為上端點B輸出電壓；Vlow為下端點A的輸出電壓。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

圖4為自旋閥傳感器的磁場響應(yīng)曲線，根據(jù)圖4(b)可計算出該傳感器的磁滯為2.281 1 %，非線性度為0.726 1 %，靈敏度為0.973 3 mV/(V/Oe)。理論上，自旋閥傳感器的靈敏度為

(4)

式中Heff為自旋閥傳感器中單條自旋閥電阻器的等效各向異性場，為自由層的單軸各向異性場和形狀各向異性場的總和；2Heff反映了自旋閥傳感器的理想工作范圍；GMR%為自旋閥傳感器中單條自旋閥電阻器的磁阻率，反映了自旋閥傳感器在工作范圍內(nèi)的總輸出。根據(jù)圖4(a)可測出其Heff為29.4 Oe，進而可計算出GMR%為5.7 %。

圖4 自旋閥傳感器響應(yīng)曲線

圖5給出了自旋閥傳感器在外加0,5,10,20 Oe等不同強度的偏置磁場下的磁場響應(yīng)曲線，根據(jù)圖5(b)中的曲線可計算出傳感器在不同偏置磁場下的性能參數(shù)。在未加偏置磁場時，傳感器的磁滯和非線性度分別為2.281 1 %和0.726 1 %，隨著偏置磁場的增加，磁滯和非線性度均逐漸下降，偏置磁場增大到20 Oe時，傳感器的磁滯和非線性度分別下降為0.012 1 %和0.082 1 %。同樣，傳感器靈敏度也隨偏置磁場的增大而減小，從未加偏置磁場時的0.973 3 mV/(V/Oe)下降到了施加20 Oe偏置磁場時的0.591 4 mV/(V/Oe)。同時，從圖5(a)中還可以看出，傳感器的飽和磁場隨偏置磁場的增大而增大，說明傳感器的工作范圍也隨偏置磁場的增加而增加。

圖5 自旋閥傳感器在不同偏置磁場下的磁場響應(yīng)曲線

圖6給出了傳感器非線性度和磁滯與偏置磁場Hb的關(guān)系。從圖6中可以看出，無Hb時傳感器磁滯為2.281 1 %，隨著Hb的增加，傳感器的磁滯迅速減小，當(dāng)Hb增大到10 Oe時，磁滯下降到了0.241 6 %，Hb繼續(xù)增加時，磁滯仍然保持減小的趨勢，但減小的速度放緩。這是由于在Hb的作用下，自由層的磁疇結(jié)構(gòu)更趨于單疇結(jié)構(gòu)，其磁化過程也更符合理想的可逆轉(zhuǎn)動磁化，多疇結(jié)構(gòu)及非可逆磁化等引起傳感器磁滯因素得到抑制，因此,隨著Hb的增加，傳感器的磁滯得到了減小[13,14]，同時大約10 Oe的偏置磁場即可將自由層磁疇結(jié)構(gòu)基本轉(zhuǎn)變?yōu)閱萎牻Y(jié)構(gòu)，故偏置磁場超過10 Oe后，磁滯隨偏置磁場增大而減小的速度減慢。此外，若自由層的磁滯被消除后自旋閥傳感器對信號磁場的響應(yīng)應(yīng)該是完全線性的[14]，因此,偏置磁場在減小傳感器磁滯的同時也將減小非線性度。

偏置磁場不僅能減小自旋閥傳感器的磁滯和非線性度，還可減小傳感器的靈敏度。圖7給出了偏置磁場對傳感器—靈敏度的影響，實線為通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到的曲線，曲線方程為

(5)

式中Hb為偏置磁場強度。

圖6 自旋閥傳感器的磁滯與非線性度與偏置磁場關(guān)系

(6)

由式(6)可見，自旋閥傳感器靈敏度與沿垂直于敏感軸方向施加的偏置磁場大小成反比，這是由于偏置磁場展寬了自旋閥傳感器的工作范圍。對于自旋閥傳感器這類線性傳感器，其靈敏度可表示為傳感器在工作范圍內(nèi)的“總輸出”與“總工作區(qū)間”的比值，而理論上自旋閥傳感器的“總輸出”為GMR%，總工作范圍為2Heff。偏置磁場的施加可能使自旋閥傳感器的工作范圍從無偏置磁場時的2Heff增大為有偏置磁場時的2(Heff+Hb)，故在外加偏置磁場的條件下，自旋閥傳感器的靈敏度為GMR%/2(Heff+Hb)。

圖7 自旋閥傳感器的靈敏度—偏置磁場關(guān)系

3 結(jié) 論

利用二維亥姆霍茲線圈磁傳感器測試系統(tǒng)研究了沿敏感軸垂直方向施加的偏置磁場對傳感器磁滯、非線性度及靈敏度的影響。結(jié)果表明：自旋閥傳感器的磁滯及非線性度隨著敏感軸垂直方向磁場的增大而減小，靈敏度與偏置磁場的大小成反比關(guān)系。研究結(jié)果可以應(yīng)用于基于自旋閥傳感器的汽車傳感器、磁羅盤、電流傳感器等系統(tǒng)中，具有較大的應(yīng)用價值。

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Researchoneffectsofbiasmagneticfieldonperformanceofspin-valvesensor*

LI Jian-ping1, SUN Yu-cheng2, TONG Jie1, WANG Hui1, HUANG Wei2, HE Ning-fa1

(1.CollegeofElectricalEngineeringandMechanical,GuangdongPolytechnicofScienceandTechnology,Zhuhai519090,China;2.CollegeofMaterialScienceandEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

Effects of perpendicular bias magnetic fields on hysteresis,non-linearity and sensitivity of spin-valve sensors are investigated by testing the magnetic response(MR)curves while perpendicularly apply bias magnetic field to sensitive axis.It is found that the hysteresis,non-linearity and sensitivity all decrease with increasing bias field,and sensitivity is inversely proportional to the bias field.The research results can offer the theoretical support for application of spin valve sensors.

spin valve sensor; bias magnetic field;magnetic hysteresis;sensitivity

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0032—03

TP 212.9

A

1000—9787(2017)11—0032—03

2017—08—29

廣東省自然科學(xué)基金資助項目(2017A030310578，2016A030310305)

李健平(1986-)，男，博士，主要研究方向為磁傳感器、磁電耦合器件、新能源汽車電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵零部件,E—mail：hero-ljp@163.com。