工业40——基于GMI效应的传感器概述

1、 论文题目：工业4.0基于GMI效应的传感器概述院 系： 信息科学技术学院 专 业： 集成电路工程 论文作者： 李荣良、李辉 13工业4.0基于GMI效应的传感器概述第一章 绪论1.1 工业4.0简介“互联网+制造”就是工业4.0。“工业4.0”是德国推出的概念，美国叫“工业互联网”，我国叫“中国制造2025”，这三者本质内容是一致的，都指向一个核心，就是智能制造。1.2 工业4.0的一些特点 互联：互联工业4.0的核心是连接，要把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地联系在一起。数据：工业4.0连接和产品数据、设备数据、研发数据、工业链数据、运营数据、管理数据、销售数据、消费者数据。集

2、成：工业4.0将无处不在的传感器、嵌入式中端系统、智能控制系统、通信设施通过CPS形成一个智能网络。通过这个智能网络，使人与人、人与机器、机器与机器、以及服务与服务之间，能够形成一个互联，从而实现横向、纵向和端到端的高度集成。创新：工业4.0的实施过程是制造业创新发展的过程，制造技术、产品、模式、业态、组织等方面的创新，将会层出不穷，从技术创新到产品创新，到模式创新，再到液态创新，最后到组织创新。转型：对于中国的传统制造业而言，转型实际上是从传统的工厂，从2.0、3.0的工厂转型到4.0的工厂，整个生产形态上，从大规模生产，转向个性化定制。实际上整个生产的过程更加柔性化、个性化、定制化。这是工

3、业4.0一个非常重要的特征。1.3 工业4.0的技术支柱工业4.0九大技术支柱包括工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能。这九大支柱中会产生无数的商机和上市公司。1.4 工业4.0的核心这是一次巨大的产业革命，错过了工业4.0也就错过了这个时代！谁最终赢得第四次工业革命主导权？第四次工业革命以2013年德国汉诺威为标志，宣布这一轮工作革命以智能制造为核心。第2章 巨磁阻抗（GMI）效应概述2.1 巨磁阻抗效应的定义巨磁阻抗效应指的磁性材料的交流阻抗随外磁场的变化而显著变化的现象。按照巨磁阻抗效应的定义，巨磁阻抗效应应该用磁性材料的

4、阻抗Z随外磁场Hex的变化曲线Z-Hex来表征。但是由于不同的磁性材料的电阻率相差很大，即使是同种磁性材料制备的样品的厚度和测量长度也无法严格控制，所以通过样品的Z-Hex曲线无法比较不同样品的巨磁阻抗效应的强弱。因此在研究中采用阻抗的相对变化值随外加磁场的变化曲线Z/Z-Hex来表征巨磁阻抗效应。 目前，对巨磁阻抗效应的定标有两种：一种是采用外加磁场为零时的阻抗（Hex = 0）作为参考点，但是因为材料的剩磁状态影响阻抗Z(0)的值，所以这个定义可能不合适；另一种以最大磁场Hmax的阻抗值作为参考点，Hmax的值由实验设备确定，因此Hmax也可能受实验设备的限制。第二种定义：上式中，Hmax

5、通常是达到饱和阻抗时的外磁场或实验设备所能提供的最大磁场。2.2 巨磁阻抗效应的研究进展早在六十年前，Harrison等人就已经发现在外加轴向磁场的作用下，铁磁性细丝的感抗会发生变化，当时把这种物理现象称为磁感应效应。1992年，日本名古屋大学K. Mohri等人发现CoFeSiB非晶丝的两端的感应电压随着外加直流磁场的增加而急剧下降，当时他们测量到的电压是非晶丝感抗部分对应的分量，因此实际上这种现象是磁电感效应。往后的研究表明，铁磁非晶合金的交流电阻也会随外加直流磁场发生明显的变化，为与通常所说的磁阻(MR)效应区分，该效应被称为交流磁阻效应。1994年巴西的Machado等人在Co70.4

6、Fe4.6Si15B1非晶铁磁薄带中观察到了这种交流磁阻效应。K. Mohri等人在综合考虑了磁电感效应和交流磁阻效应后，认为两者是同一物理效应的不同方面，并把磁性材料通以交变电流时，在外磁场作用下交流阻抗会发生显著变化的现象正式命名为巨磁阻抗（GMI）效应。 当外磁场方向发生改变时，GMI曲线左右不对称性的现象称为非对称性巨磁阻抗(AGMI)效应。非对称巨磁阻抗效应可以在测量阻抗时在磁性材料中施加直流偏置电流产生的直流偏置场来获得，也可以在测量阻抗时沿着样品轴向施加交流偏置磁场获得，此外对钴基非晶材料在空气中退火使材料内部出现交换场也能出现非对称性巨磁阻抗(AGMI)效应。由于非对称巨磁阻抗

7、效应提高了线性度和磁场灵敏度，具有较好的应用价值，成为人们研究的一个新热点。 通过设计合适的测量电路或采用合适的测量方法，可以使磁性材料在测量阻抗时形成LC共振和磁力共振，显著增强磁性材料的GMI效应。Lee等人使用玻璃包裹磁性微丝设计出LC共振器，电极没有连接到微丝的两端铁磁层，而是连接到玻璃层上，这样电极和铁磁层间夹杂不导电的玻璃介质，形成天然的电容，构成了LC共振器。由于LC共振器中微丝的磁导率的变化和电流的LC共振都会影响阻抗变化，所以GMI效应可以通过调整流过样品的驱动电流频率而极大的改善，通过精确的调整频率为551.9.75 MHz可以使GMI最大值达到450,000%。吴志明等通

8、过磁控溅射方法，在Fe基玻璃包裹丝外溅射一层铜，形成外含导电层的复合丝，研究了LC共振对巨磁阻抗效应的影响，发现通过控制铜层的长度和厚度，可以调节复合丝的共振频率和增强效果。发现GMI效应共振增强幅度与复合丝的共振频率和线宽有着密切的关系。当包裹丝最佳阻抗变化频率处于共振曲线斜率最大的位置时，巨磁阻抗效应可以有较大的提高。并对实验结果通过分布参数方法模拟，发现理论与实验结果相吻合。吴志明等人还在实验中采用纵向驱动方式，测量Fe基非晶、纳米晶条带的巨磁阻抗效应。发现由于Fe基条带具有一定的磁致伸缩系数，在交变驱动场的作用下，会发生机械振动。当交变场的驱动频率与样品的机械振动固有频率一致时，元件的

9、阻抗大大增强，出现共振现象，即发生磁力共振。实验结果显示，当条带发生磁力共振时，满足适当的条件，可以提高元件的巨磁阻抗效应。磁力共振工作模式也可以用来研制MI传感器。 最初，巨磁阻抗效应多是研究磁致伸缩系数为接近零或负的钴基非晶软磁合金细丝，而后扩展到钴基非晶软磁条带。由于铁基纳米微晶材料价格低、高温性能稳定等优点，因此又发展到研究Fe基纳米微晶材料（丝或条带）和薄膜的巨磁阻抗效应。对材料的几何结构研究，开始时以单质丝、条带、单层膜为主，后来发展到复合结构形式如多层膜，复合结构丝等。近来，巨磁阻抗效应的研究更多地集中于多层复合结构样品。这种复合结构样品指的是两种或两种以上电性能性质不同的材料构

10、成的复合结构。它主要包括复合结构多层膜和复合结构丝等形式。2.3 巨磁阻抗效应的理论解释巨磁阻抗效应随驱动电流频率的变化关系，大致上分为三个区域，不同频率区域产生阻抗效应的机理不同。 110 kHz为低频区。在此区域内，样品两端的电压变化主要是由于磁电感效应引起的24。 中频区，从10 kHz开始，上限可达几兆赫兹。在此区域内，外磁场的变化影响有效磁导率，有效磁导率的改变引起趋肤深度的变化，趋肤深度的改变又引起材料阻抗的变化，最终产生巨磁阻抗效应25。 高频区，频率达到GHz量级，在此区域，可以观测到趋肤深度的巨大变化，此区域的阻抗变化是由铁磁共振引起的。 1、低频区在低频范围内，通过磁性材料

11、的交变电流产生一个交变环向磁场。该磁场产生一个环向磁通变化并产生了一个轴向电场EZ ，磁性材料两端的感生电压就由该电场的大小决定：VL=EZ(a)l=(i/c2)LiI，其中，l是丝的长度，Li是丝的自感。如果是匀质丝。总的来说，感生电压由自感决定，而自感又与丝的环向磁导率的空间分布有关。当低频交变电流流过铁磁丝的时候，丝的两端总电压VT等于丝的电阻电压VR和感生电压VL之和，即： VT=VR+VL=RI(i/c2)LiI其中，R是样品的直流阻抗。当在丝上施加直流外磁场Hex时，丝的环向磁矩分布和环向磁导率都会发生变化。如果定义Z=VT/I=Z1+iZ2 ，我们可以得出这样的结论，在相对低频时

12、，阻抗随外磁场的变化主要是由于与环向磁导率成简单比例关系电感项变化引起的，而外磁场作用仅仅在于改变了有效磁导率。这个观点也适用于解释其他区域的巨磁阻抗效应。 2、中频区通常所说的巨磁阻抗效应指的就是中频范围内样品的阻抗变化。在中频区，外加直流磁场改变材料的磁导率，引起趋肤深度的变化，从而使材料的阻抗发生变化，出现巨磁阻抗效应。考虑匀质材料内部的磁畴结构(磁矩取向)和材料本身的物理参数(如电导率、各向异性场、初始磁化率、阻尼系数和旋磁比等)，根据畴壁运动方程和Landau-Lifshitz(LL)磁矩转动方程分别计算出在交变电流驱动时材料的低频畴壁移动磁导率和高频磁矩转动磁导率，再通过求解Max

13、well方程组获得材料内外电磁场的分布，可以得到阻抗表达式。对于具有纵向磁畴结构的匀质丝状材料和薄膜，求得的阻抗表达式分别为： 对于具有环向磁畴结构的匀质丝状材料求得的阻抗表达式为： 其中，J0和J1是第一类贝赛尔函数，a是丝的半径，t是薄膜的厚度，是趋肤深度。是电导率，是驱动电流的角频率，是材料的环向磁导率。 3、高频区驱动电流频率很高时，磁矩转动起主要作用时，此时的动态效应的作用很大，需要基于麦克斯韦方程和朗道方程建立一个更严密的模型。为完成这个任务，Panina等人导出了具有环向或螺旋状各向异性的丝和具有平面单轴各向异性的薄膜的动态有效磁导率，这种模型和其他的一些模型忽略了层间相互作用，

14、因此仅是磁性材料的近似的模型，Yelon等人根据金属中铁磁共振的理论，考虑了交换作用，得到的结果与高频时的巨磁阻抗效应一致。 第3章 巨磁阻传感器原理及其应用3.1 集成巨磁阻原理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年由彼得格林贝格和艾尔伯费尔分别独立发现，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

15、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。如图1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

16、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1：巨磁阻效应示意图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）。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2：巨磁阻磁效应感应层 巨磁阻阻值由自由层和参考层之间磁场方向夹角决定，电阻变化率如式所示：GMR传感器应用如上文所说,巨磁阻电阻值取决

17、于自由层和参考层之间磁场方向夹角，自由层磁化方向会随着外界磁场方向改变而改变。巨磁阻传感器磁场工作区间如图3所示，当外界磁场强度超过|BK|时巨磁阻传感器工作在饱和区，此时自由层和参考层磁化方向平行，进一步增加外界磁场强度不会导致电阻值变化。当外界磁场强度范围在- BK通常外界磁场强度BK为5mT时，巨磁阻阻值变化率在10%左右。磁场线性区间用于速度检测，而饱和区间则用于角度检测。图3：磁场工作区间特效曲线3.2 巨磁阻应用速度检测 巨磁阻速度传感器在汽车领域可以用于ABS、变速箱、凸轮和曲轴等速度及位置检测。巨磁阻传感器其感应单元由四个巨磁阻单元组成一个惠斯通电桥，如图4所示为惠斯通电桥结构

18、，每一个半桥包含两个巨磁阻单元，两个半桥之间距离通常为2.5mm（为了适应较小齿距轮速目标轮，TLE5041PlusC差分感应单元间距离为2.0mm）用于产生差分速度信号。如果需要检测目标轮转动方向，则可以在正中间增加第5个巨磁阻单元。方向信号和速度信号存在90的相位偏移,通过比较速度信号和方向信号之间相位,可以判断目标轮转向,从而输出相应PWM信息用来反映目标轮转动方向。图4：惠斯通电桥根据惠斯通电桥结构，容易得出如下公式：磁性传感器通过检测磁场变化来检测目标轮速度以及方向, 而传感器感应面和目标轮之间磁场产生方式主要有两种:一种是针对非磁性轮应用，如图5左所示。对于这种非磁性轮应用，设计时需要在传感器背面集成磁铁,即背磁方式（Back Bias）。还有一种是磁性轮,如图5右所示。图:5:磁性速度传感器应用根据磁性传感器感应原理，霍尔传感器感应垂直于霍尔感应单元的磁场，即Z轴磁场。而巨磁阻传感器则感应的是平行于巨磁阻感应单元的磁场，即X,Y轴磁场。对于一些非磁