GMR(Giant Magneto Resistive,巨磁�):比AMR技�(shù)磁頭靈敏度高2倍以�,GMR磁頭是由4層導(dǎo)電材料和磁性材�薄膜�(gòu)成的:一個傳感層、一個非�(dǎo)電中介層、一個磁性的栓層和一個交換層.�3個層控制著磁頭的電阻。在栓層�,磁場�(qiáng)度是固定�,并且磁場方向被相臨的交換層所保持。而且自由層的磁場�(qiáng)度和方向則是隨著�(zhuǎn)到磁頭下面的磁盤表面的微小磁化區(qū)所改變�,這種磁場�(qiáng)度和方向的變化導(dǎo)致明顯的磁頭電阻變化,在一個固定的信號電壓下面,就可以獲取供硬盤電路處理的信��
巨磁阻前3個層控制著磁頭的電阻.在栓層中,磁場�(qiáng)度是固定�,并且磁場方向被相臨的交換層所保持.而且自由層的磁場�(qiáng)度和方向則是隨著�(zhuǎn)到磁頭下面的磁盤表面的微小磁化區(qū)所改變�,這種磁場�(qiáng)度和方向的變化導(dǎo)致明顯的磁頭電阻變化,在一個固定的信號電壓下面,就可以拾取供硬盤電路處理的信號�
巨磁阻磁頭GMR磁頭與MR磁頭一�,是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取盤片上的數(shù)�(jù),但是GMR磁頭使用了磁阻效�(yīng)更好的材料和多層薄膜�(jié)�(gòu),比MR磁頭更為敏感,相同的磁場變化能引起更大的電阻值變�,從而可以實(shí)�(xiàn)更高的存儲密�,�(xiàn)有的MR磁頭能夠�(dá)到的盤片密度�3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁頭可以�(dá)�10Gbit-40Gbit/in2以上.目前GMR磁頭已經(jīng)處于成熟推廣�,在今后它將會逐步取代MR磁頭,成為的磁頭技�(shù)�
1988�,�(fèi)爾和格林貝格爾就各自�(dú)立發(fā)�(xiàn)了這一特殊�(xiàn)�:非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化.那時,法國的費(fèi)爾在�、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)�(xiàn),微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化,其變化的幅度比通常高十幾�,他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resistive,GMR).有趣的是,就在此前3個月,德國�(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)�(dǎo)的研究小組在具有層間反平行磁化的�、鉻、鐵三層膜結(jié)�(gòu)中也�(fā)�(xiàn)了完全同樣的�(xiàn)��
巨磁阻效�(yīng),是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)�.巨磁阻是一種量子力�(xué)效應(yīng),它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)�(gòu).這種�(jié)�(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成.�(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行�,載流子與自旋有關(guān)的散射最�,材料有最小的電阻.�(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行�,與自旋有�(guān)的散射最�(qiáng),材料的電�.上下兩層為鐵磁材�,中間夾層是非鐵磁材料.鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的,因而較小的磁場也可以得到較大電阻變化的材料�
眾所周知,�(jì)算機(jī)硬盤是通過磁介�(zhì)來存儲信息的.一塊密封的�(jì)算機(jī)硬盤�(nèi)部包含若干個磁盤片,磁盤片的每一面都被以�(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁�,每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū).磁盤片上的磁涂層是由�(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組�,若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特(bit)信息,�0�1.磁盤片的每個磁盤面都相�(yīng)有一個磁�.�(dāng)磁頭"掃描"過磁盤面的各個區(qū)域時,各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被�(zhuǎn)換成電信�,電信號的變化�(jìn)而被表達(dá)�"0"�"1",成為所有信息的原始譯碼.最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的,該類磁頭是通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)�(jù).然�,隨著信息技�(shù)�(fā)展對存儲容量的要求不斷提�,這類磁頭難以滿足�(shí)際需�.�?yàn)槭褂眠@種磁�,磁致電阻的變化僅�1%�2%之間,讀取數(shù)�(jù)要求一定的�(qiáng)度的磁場,且磁道密度不能太�,因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤容量只能達(dá)到每平方英寸20兆位.硬盤體積不斷變小,容量卻不斷變大時,勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越�,這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱.
1997�,全球基于巨磁阻效�(yīng)的讀出磁頭問�.正是借助了巨磁阻效應(yīng),人們才能夠制造出如此靈敏的磁�,能夠清晰讀出較弱的磁信�,并且�(zhuǎn)換成清晰的電流變�.新式磁頭的出�(xiàn)引發(fā)了硬盤的"大容�、小型化"革命�
巨磁阻磁頭GMR磁頭與MR磁頭一�,是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取盤片上的數(shù)�(jù),但是GMR磁頭使用了磁阻效�(yīng)更好的材料和多層薄膜�(jié)�(gòu),比MR磁頭更為敏感,相同的磁場變化能引起更大的電阻值變�,從而可以實(shí)�(xiàn)更高的存儲密�,�(xiàn)有的MR磁頭能夠�(dá)到的盤片密度�3Gbit-5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁頭可以�(dá)�10Gbit-40Gbit/in2以上.目前GMR磁頭已經(jīng)處于成熟推廣�,在今后的�(shù)年中,它將會逐步取代MR磁頭,成為的磁頭技�(shù)�
1 � 言
基于GMR效應(yīng)的自旋閥生物磁傳感器由于自身靈敏度高、線性程度好、易于集成等特點(diǎn),與早期的電化�(xué)分析、壓電晶體檢測方法相比具有檢測精度高的明顯優(yōu)�(diǎn),與當(dāng)前較成熟的熒光檢測生物系�(tǒng)相比又不必依賴于龐大、精密的光學(xué)系統(tǒng),因而其研究和應(yīng)用前景被國內(nèi)外眾多研究單位和�(xué)者所�(guān)注和看好.1998年美國Naval Research Labo-ratory研制出了代BARC(bead array counter)芯片,到今天已�(jīng)�(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)DNA檢測及納米磁球檢測�
2 生物傳感器制備及測試
由于被檢測信號較小僅為μV量級,在設(shè)�(jì)上采用惠斯登交流電橋作為檢出�(jié)�(gòu),并且搭建了完備的檢測系統(tǒng),如圖1所�.系統(tǒng)由GMR檢測電橋、驅(qū)動部分和檢測部分組成.惠斯登電橋由相同的GMR自旋閥敏感電阻Rsen,Rref和外部可�(diào)參考電阻R1,R2組成,其中電橋的上半橋�,即磁敏感電阻Rsen,Rref,采用三步光刻法集成在芯片�,其自旋閥�(jié)�(gòu)為Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/MnIr/Ta,磁阻變化率MR可達(dá)9.2%,性能見圖2�
在測試過程中,由信號發(fā)生器�(chǎn)生交流信�,通過電流放大單元�(qū)動電磁鐵,�(chǎn)生固定頻率的交變勵磁�.將濃度為200 μg/mL、直�2 μm的超順磁性免疫磁球以酒精溶液的形式加在Rsen�.在外界交變勵磁場的作用下,附著在Rsen表面的磁球被磁化,�(chǎn)生一個同頻率的微小附加場,使Rsen,Rref兩橋臂感�(yīng)到的磁場大小�(chǎn)生差�,�(jìn)而導(dǎo)致交流檢測電橋的輸出信號�(fā)生變�.交流電橋的信號最終用鎖相放大器檢出后輸出到計(jì)算機(jī)記錄,從而實(shí)�(xiàn)對免疫磁球溶液的檢測.此外,由于作為磁球溶劑的酒精也會對傳感器的輸出信號�(chǎn)生影�,因此先須測試酒精對輸出信號的影響才能最終確定免疫磁球的輸出信號幅度�
3 �(shí)�(yàn)�(jié)果及討論
3.1 不含免疫磁球溶液的測�
為了排除免疫磁球之外的其他因素對生物傳感器輸出結(jié)果的影響,先�(jìn)行了對不含免疫磁球溶液的測量,具體�(jié)果見�3.從圖中可以看�,在檢測過程中有一個幅值約�20μV的本底信號存�,這主要是由于Rsen,Rref兩橋臂不能夠完全匹配引起�.雖然在實(shí)�(yàn)開始之前�(jìn)行了電橋的直流調(diào)�,但由于兩橋臂的磁阻曲線不能完全重�,所以對交變勵磁場的響應(yīng)也就不能完全一�.而且由于不同的芯片上Rsen,Rref的匹配程度不�,本底信號在每次實(shí)�(yàn)中大小也并不一�,但在每次具體的實(shí)�(yàn)�,本底信號是穩(wěn)定的.在滴加溶液過程中輸出信號會出�(xiàn)一個大�50 μV的短暫尖峰后又回到本底的水平,這主要是由于在溶液滴加過程及其揮�(fā)過程�,傳感器表面會�(chǎn)生溫度變化而導(dǎo)致的,但這個尖峰信號并不能�(wěn)定保�,所以對的測量結(jié)果不會產(chǎn)生影��
3.2 含有免疫磁球溶液的測�
在Rsen表面滴加1μL、質(zhì)量濃度為200 μg/mL的免疫磁球溶液后,生物傳感器表面形貌見�4,其輸出如�5所��
從圖5中可以看�,在次滴加時附著在GMR生物傳感器表面的磁球使得電橋輸出�(dá)�300μV,由于傳感器表面積相對磁球來說較大,在以后的第二,三次滴加中仍然有部分磁球附著到了傳感器表�,使得傳感器的輸出�(jìn)一步加�,最終達(dá)�450μV.此時雖然傳感器表面沒有被磁球完全覆蓋,但由于新滴加上的液體對表面原有磁球也有一定的沖洗作用,因而在繼續(xù)第四次滴加時,傳感器表面磁球的�(shù)量沒有�(jìn)一步增�,傳感器信號輸出達(dá)到�,考慮到本底信號的影響,由免疫磁球產(chǎn)生的最終信號幅值應(yīng)�300μV.該檢測結(jié)果與INESC的Graham小組用直流方式對�2 μm磁球的檢測結(jié)果類��
3.3 信號隨勵磁頻率的變化
在實(shí)�(yàn)�,勵磁場頻率的選取也會對傳感器信號的輸出產(chǎn)生影�.�(dāng)外加勵磁場變化頻率過高時,由于系統(tǒng)中電磁鐵等感性阻抗元件的影響,使得電橋的輸出信號大幅減�.但考慮到系�(tǒng)的電路噪�,尤其是在頻率越低�1/f噪聲會急速增加的影響,所施加的勵磁頻率也不宜過低,外加勵磁頻率對于輸出的影響見�6.在實(shí)�(yàn)中選取的頻率是信號和噪聲都適中、信噪比�70 Hz�
4 �(jié) �
利用由三步光刻工藝制備GMR傳感�,采用交流檢測的方式對于直�2 μm、濃度為200μg/mL的生物免疫磁球�(jìn)行了初步檢測.�(jié)果顯�,不含磁球的溶液會造成信號的波�,但不能影響傳感器的最終穩(wěn)定輸�,傳感器表面附著磁球后�(chǎn)生了350μV的信號輸�,并隨著滴加次�(shù)的增多信號增大至450μV,最終達(dá)到飽�.此外較高和較低的頻率會分別造成傳感器輸出信號的下降和系�(tǒng)噪聲的上�,合適的頻率也是優(yōu)化輸出信號的重要條件�
1988�,F(xiàn)e/Cr超晶格中的巨磁電�(GMR)效應(yīng)被發(fā)�(xiàn),為磁傳感器�(lǐng)域帶來了一場深�(yuǎn)的革�。不�,一種具有低飽和場巨磁電阻效�(yīng)的自旋閥�(jié)�(gòu)被提出,基于這種自旋閥結(jié)�(gòu)的磁傳感器具有靈敏度�、功耗小、體積小、可靠性高、耐惡劣環(huán)境等�(yōu)�(diǎn),能夠廣泛地被應(yīng)用于工業(yè)自動化和汽車工業(yè)中�
在基于自旋閥�(jié)�(gòu)的傳感器�,MR和矯頑力是兩個非常重要的性能指標(biāo)。在自旋閥薄膜的制備過程中,通常選取軟磁和硬磁材料的組合作為自旋閥的自由�,從而增加自由層的自旋散射幾�,提高M(jìn)R。但是硬磁材料的引入將導(dǎo)致自由層矯頑力的增加,從而將影響傳感器的測量精度。本文從理論和實(shí)�(yàn)兩方面研究了自旋閥自由層的矯頑力特性,通過弱磁場下的橫向退火工藝降低傳感器芯片的矯頑力,同時通過建立一種自旋閥自由層的單疇模型來解釋退火實(shí)�(yàn)的結(jié)果�
2 買驗(yàn)
采用直流磁控濺射法在硅襯底上制備� IrMn頂釘扎自旋閥薄膜,自旋閥薄膜的各層厚�(nm)為:Ta(5)/NiFeCr(2.5)/NiFe(3)/CoFe(1)/Cu(1.8)/CoFe(3.5)/IrMn(11)/Ta(5)�
薄膜制備采用美國Kun J Lesker公司的CMS-A六靶磁控濺射系統(tǒng)。濺射時在基底平面內(nèi)加上大小�50 Oe的磁�,使自旋閥薄膜形成易磁化�。在�(jīng)過光刻、離子刻�、去�、正膠剝離等一系列工序�,最終制成了一組基于自旋閥�(jié)�(gòu)的GMR磁傳感器芯片,其中自旋閥磁阻條的寬度�25 μm,每個磁電阻單元共有20個磁阻條串聯(lián)而成,每個磁阻條的長度為750 μm�
將制成的樣品依次在通有�?dú)獾耐嘶馉t中�(jìn)行退火處理,采用不同的退火條�,退火溫度的范圍選取�100�200℃,退火磁場的范圍選取�100�300 Oe,保溫時間均�30 min。外磁場方向垂直于自旋閥薄膜自由層的易磁化軸,升溫和降溫的速率約為10�/min�
3 �(jié)果與討論
3.1 �(shí)�(yàn)�(jié)�
將制成的傳感器芯片�(jìn)行測�,MR�10.234%,矯頑力�1.347 Oe,如�1所�。從圖中可以看出,較大的矯頑力造成線性區(qū)(工作區(qū))�(nèi)同一磁場對應(yīng)不同的電阻�,這一�(xiàn)象在�(shí)際傳感器的測量應(yīng)用中會帶來較大的誤差。因此在芯片其他性能不受影響的前提下,應(yīng)�(shè)法將其降��
在芯片的制備過程中,濺射薄膜時基底上50 Oe的恒定誘�(dǎo)磁場,使自旋閥薄膜的反鐵磁層沿此方向形成釘扎�,同時使自由層沿此方向形成易磁化軸。在�(shí)際應(yīng)用中,被檢測磁場的方向需要與釘扎場的方向一�,即在自由層的易軸方向上,被檢測磁場通過改變自由層磁矩的大小和方向以�(chǎn)生MR效應(yīng)。于是,芯片的矯頑力即為自旋閥自由層的易磁化軸方向的矯頑�。但�,當(dāng)被檢測磁場沿易磁化軸方向施加�,磁化方向的改變是依靠磁疇疇壁的移動,為不可逆移動,矯頑力較�;而當(dāng)被檢測磁場沿難磁化軸方向施加時,磁化方向的改變是依靠磁疇磁化方向的轉(zhuǎn)�,為可逆轉(zhuǎn)動,矯頑力較�。因�,應(yīng)�(shè)法將自由層的難磁化軸�(zhuǎn)至釘扎場的方�,以降低矯頑力。利用退火工�,在垂直于自由層易磁化軸的方向上施加一個恒定的磁場,可以誘�(dǎo)自由層的易磁化軸向退火磁場的方向旋轉(zhuǎn),同時使自由層的難磁化軸�(zhuǎn)至釘扎場方向,這樣就能夠達(dá)到降低芯片矯頑力的目��
�(shí)�(yàn)中,�(dāng)退火溫度為150�,退火磁場為120 Oe時,芯片的矯頑力降至最小�,為0.182 Oe,此時芯片的MR�9.426�,略有降��
3.2 模型分析
根據(jù)鐵磁�(xué)的理�,自旋閥自由層的飽和磁化�(qiáng)�(MFM)、外加磁�(H)和易磁化軸之間的角度�(guān)系可以用�3中的單疇模型來表��
自由層鐵磁材料的能量EFM可以表示為EFM=EZ+Eani+Eshape。其中EZ=-MFMHcos(θFM-θH)為外加磁場下鐵磁材料的Zeeman能量;Eani=0.5MFMHksin2θFM為感生各�(xiàng)異性能;Fshape=4(M2FMtFM/ω)sin2θFM為形狀各項(xiàng)異性能。其中tFM為自由層的厚�;Hk為感生各�(xiàng)異性場,ω為自由層樣品的寬度。對于鐵磁材�,Eani和Eshape是出�(xiàn)矯頑力的原因�
鐵磁材料的矯頑力特性可以通過Meff-H曲線得到,Meff=MFMcos(θFM-θH)為鐵磁材料的有效磁化�(qiáng)度。θFM隨H�(fā)生變�,對于給定的H,當(dāng)θFM使鐵磁材料的能量�(dá)到極小值時,系�(tǒng)�(dá)到穩(wěn)�。所以可以根�(jù)能量極小的方�,求出在不同的H下使鐵磁材料的能量達(dá)到極小值時的θFM。另�,根�(jù)磁疇連續(xù)�(zhuǎn)動假�(shè),新的θFM為最接近初始θFM的極小值點(diǎn)。這樣便可以得到自旋閥的Meff-H曲線�
�(dāng)自由層鐵磁材料的能量EFM對θFM的一階偏�(dǎo)�(shù)�0、二階偏�(dǎo)�(shù)大于0�,能量達(dá)到極小值。根�(jù)�(shí)際芯片中薄膜的參�(shù),選取MFM=980 emu/cm3,Hk=4 Oe,tFM=6.5 nm,�=25μm,設(shè)定縱軸為歸一化的等效磁化�(qiáng)度Meff/MFM,利用Matlab軟件�(jì)算鐵磁材料的Meff-H曲線,圖4和圖5分別給出了θH=0°和θH=90°時的情況�
可以看出,利用自旋閥自由層單疇模型計(jì)算得到的�(jié)果與�(shí)�(yàn)中退火前后的�(jié)果是一致的,這說明了自旋閥自由層中易磁化軸的方向?qū)π酒C頑力的大小有著十分重要的影響�
4 �(jié)�
在基于自旋閥�(jié)�(gòu)的磁傳感器芯片中,自旋閥自由層易磁化軸的方向與芯片的矯頑力有著密切的�(lián)�。當(dāng)自由層易磁化軸的方向平行于被檢測的外磁場方向�,芯片的矯頑�。利用弱磁場下的橫向退火工�,將自由層易磁化軸的方向在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),使其在�(shí)際應(yīng)用時垂直于外磁場的方�(即難磁化軸平行于外磁場的方向),當(dāng)退火溫度為150℃,退火磁場為120 Oe�,芯片的矯頑力降�0.182 Oe,并且MR沒有明顯的降�,這種低矯頑力的GMR芯片可以滿足高精度線性測量的需要�
維庫電子�,電子知�,一查百��
已收錄詞�153979�