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开发巨磁电阻(GMR)磁场传感器芯片的意义

信息来源:chuandong.biz  时间:2011-03-14  浏览次数:310

  “科学技术是第一生产力”,科学技术的发展,总是促进人类文明一次次飞速的进步。人类进入20年代末的时候,一门新的学科——磁电子学又产生于科学技术的全面发展中。它吸取最新科技发展的精华,融合磁学与微电子学之所长,发展其所不及,给人类技术文明发展又揭开了一页新的篇章。
  一?、巨磁电阻效应简介
  磁电子学是一门以研究介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的机理下工作的电子器件为主要内容的一门交叉学科。它研究的对象包括载流电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等。
  电子既是电荷的负载体,同时又是自旋的负载体。以研究、控制和应用半导体中数目不等的电子和空穴(即多数载流子和少数载流子)的输运特性为主要内容的微电子学是二十世纪人类最伟大的创造之一。但在这里自旋状态是不与考虑的,电子的输运过程仅利用它的荷电性由电场来控制。是否可以利用电子的自旋来操纵它的输运过程呢?这正是磁电子学所要研究的主要内容。
  对巨磁电阻效应的研究就是磁电子学的一个重要内容。磁场作用于磁性多层膜中导电电子的自旋,导致膜电阻发生很大的变化。这种变化可以通过测量电阻或以电压方式反映出来。根据这种特点可以在许多领域得到应用。
  二?、巨磁电阻效应的应用
  科技服务于人类。科学技术只有同应用相结合才能发挥其“第一生产力”的作用并同时拥有强大的生命力。磁电子学的产生是巨大应用前景促进的结果,同时从其产生之初即为应用服务。到目前磁电子学的研究仍在世界范围轰轰烈烈地进行,它的应用已发展到计算机磁头、巨磁电阻传感器、磁随机存贮器等许多领域,随着对CMR、TMR原理的进一步研究和认识,必将开拓更为广阔的应用前景。鉴于磁电子学技术的新颖性和复杂性,对于磁电子学的研究仍在持续不断地进行,其应用现在还仅限于巨磁电阻(GMR)范围,以下对此作较为详尽的介绍。其新的应用日新月异,还望大家拭目以待。
  1.巨磁电阻(GMR)传感器的应用
  1)GMR磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统
  地球是一个大磁铁,地球表面的磁场大约为0.5Oe,地磁场平行地球表面并始终指向北方。利用GMR薄膜可做成用来探测地磁场的高级罗盘。当可以同时探测平面内磁场X和Y方向分量的GMR磁场传感器固定在交通工具上,瞬间航向与地球北极的夹角可通过GMR传感器的X和Y方向的电压相对改变而确定下来。图3显示这种传感器的具体工作原理。GMR磁场传感器随轮船的方向改变而改变其和地磁场的夹角,相对来说,也可以等效为地磁场的方向在改变。我们已研制出能够探测磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器。此传感器可作为罗盘并应用在各种交通工具上作为导航装置。美国的NVE公司已经把GMR传感器用在车辆的交通控制系统。我们知道,各种不同的车辆(物体)在外界都有其自身特征的磁场分布。通过用GMR弱场传感器可探测各种车辆的磁场分布进而确定该车辆的型号。利用GMR传感器不仅可探测静止车辆的状况进而用在交通灯处的交通控制和停车场处停车位置的监控,而且也可探测移动车辆的情况。具体来说,放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通过传感器的车辆。如果同时分开放置两个GMR传感器,还可以探测出通过车辆的速度和车辆的长度,当然GMR也可用在公路的收费亭,从而实现收费的自动控制。另外高灵敏度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。大家知道,在军事工业中随着吸波技术的发展,军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽,但是它们无论如何都会产生磁场,因此通过GMR磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。当然,GMR磁场传感器可以应用在卫星上,用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。
  磁场传感器的导航原理
  2)GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流及用作隔离器和电子线路中的反馈系统(开关电源)
  众所周知,通电导线周围将产生磁场,其磁场的强弱与通电电流的大小成正比。若将GMR磁场传感器及环形软磁集磁通器放置在通电导线附近,则由GMR传感器的输出电压可以测量导线中通过的电流。我们已利用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场,并研制出线性测量范围正负200Oe的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10,000安培的直流和交流。目前有三种办法可用来探测电流:电阻短路的办法,其缺点在于引入一电压降和这种方法不能提供上下级的隔离。电流转换器则基于安培定理,但是其仅仅用来探测直流。GMR磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展,目前已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起,从而实现了小型化、集成化,提高了灵敏度和降低了成本。另外电流探测原理,目前已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及高电流情况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级,在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号,因此上下级而不相互干扰。这种探测电流大小的隔离器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于开关电源,我们利用两次沉积自旋阀多层膜的办法,已研制出可探测微安级的交直流及探测磁场范围在正负20Oe的GMR磁场传感器。并且与西班牙的一所大学合作,成功地把这种传感器用在开关电源线路中作为反馈系统,可改善其频率输出特性高达1MHz。至于在无刷直流电机的应用:大家知道,有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电,使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来非常不好的影响,比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等。如果用GMR传感器代替电机的摩擦整流子,那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响,而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此,它的稳定性和可靠性都非常高。另外,这种无刷电机转矩-重量比较大,速度转矩特性的线性度比较好。图4.给出了测量电流的原理图。
  3)GMR传感器可用来测量微小的位移及其相关的应用
  GMR磁场传感器来探测被测物体的位移的原理是通过利用一永磁铁作为参照物,参照物相对于磁传感器的运动可等效为磁敏器件在均匀梯度的磁场中的移动,因此磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。图5给出一圆柱磁钢及其周围的磁场分布。我们已研制出一种能同时探测X—Y方向位移的磁场传感器。由于采用集成技术,可使该磁场传感器小型化,同时提高了精度。这种传感器已成功运用在机器人及机械手的控制系统,并使其智能化和拿取、放置物体。另外也使机器人具有识别物体的功能。这种位移传感器也可用在电梯及相应的升降系统作为控制系统。此外,可以用GMR位移传感器改造某些传统的工业仪表,扩大其应用范围。例如,浮子流量计是一种得到广泛应用的非电量仪表,如果改用磁性浮子和外配一个GMR磁位移传感器,就能制成一个有电压输出的数字型位移传感器。在汽车发动机中,为了实现电子点火,往往需要精密坚固的位移传感器来测量发动机主轴的准确转角,决定点火时间。以前多用霍尔元件,现在完全可以用GMR替代,从而提高工作温度范围和降低磁场触发磁场的强度。GMR位移传感器也可用在精密机床上来提高机械加工的精度。活塞在气缸中的运动情况也可以通过GMR位移传感器给探测出来。
  4)GMR角度位移及角速度传感器和相关应用
  为了测量一物体的转动角度的大小,往往可以通过探测磁钢因转动而造成其磁场的方向相对于固定的GMR磁场传感器的改变,我们研制出的可探测平面内磁场方向和大小的GMR磁场传感器可以探测相对其转动的磁钢的转动角度。当一块磁铁固定在转动轮子的边沿而GMR磁场传感器固定在轮子的旁边并保持一定的距离时,参考磁铁随轮子而转动,每当轮子转动一圈,就会使产生一电压脉冲输出。图6给出角速度传感器的原理图。我们利用集成技术已研制出专用来测量角速度即转速的数字式自旋阀GMR磁传感器。该磁敏传感器可探测各种情况下的角速度。该类GMR磁场传感器可用在各种远程抄表系统,在这里包括了煤气、水、电表的数字式的处理。随着自动化水平的提高,对于数字式的各种仪表的需求量越来越大。我们已与辽宁万恒科技有限公司建立了联系。该公司需要大量数字式GMR磁传感器应用在远程抄表系统。在汽车(摩托)工业中,GMR磁场传感器可用在刹车系统(ABS),通过探测角速度进而起到制动作用。不久我国将加入世贸组织(WTO),因此汽车(摩托车)的防爆刹车系统的研制和利用的确是势在必行。至于电机马达行业,为了得到稳定转速的工作状态,转速的测量和控制需要用GMR传感器来测量角速度并通过反馈系统可得到稳定的角速度输出。同时,GMR角速度传感器也可用在洗衣机行业。随着机算机的存储密度的提高,对伺服系统的要求也在提高,对于磁盘转速的控制的精度也在提高,因此磁场角速度传感器将会应用在该领域。另外,利用GMR薄膜材料可研制出各种用途的磁性编码器。磁性编码器的优点在于不易受尘埃、结露、影响、对潮湿气体和污染不敏感,同时其结构简单紧凑,可高速运转,而且其响应速度快(纳秒级),体积比光学式编码器小,而成本更低,且易将多个元件精确地集成,比用光学元件和半导体霍尔磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。由于磁性编码器具有上述诸多优点,因而近年来在高精度测量控制领域中的应用不断增加,其市场需求量每年以20-30%的速度增长。在高速度、高精度、小型化、集成化及长寿命的要求下,在激烈的市场竞争中,磁性编码器以其突出特点而独具优势,成为发展高技术的关键。
  5)GMR医用及生物磁场传感器
  人体之中存在着各种形式的机械运动,它们是机体完成必要的生理功能的前提和保证,因此检测这些生物机械运动,无论对基础医学还是对临床医学来讲,都具有十分重要的意义。以前,由于必须利用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而局限在方面医学的发展。高灵敏度及集成化的GMR磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的非接触式的探测提供了方便,并推动其发展。下面介绍几种特殊在此方面的应用。磁性生物传感器的原理如图7所示:首先各种各样的细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA可以用纳米级的磁性小颗粒来标记,也就是首先是这些被探测的对象磁性化,进而在用高灵敏度的GMR磁场传感器来探测它们的具体位置。这种也可用于医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测等领域。高灵敏度的GMR传感器也可用在用来脑电图、心机图等的高精度的仪器设备上,来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。利用GMR磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的方法,这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳现象,和诊断某些眼科疾病。
  6)GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用
  GMR磁场传感器可以探测不同的磁性介质。在这种应用中,磁性介质携带着要被探测的信息。磁性介质是有非磁性的基体和磁性材料组成,磁性材料放置在基体内或基体的表面。当携带着信息的磁性介质扫过GMR磁场传感器时,则特有的信息被探测出来。传感器的输出依赖于磁性介质的性能、工作缝隙的距离和传感器的灵敏度。目前主要用在磁性墨迹的识别、磁性编码的读出、细小磁性微粒的探测、介质磁性签字的鉴别。
  7)GMR磁敏加速度传感器
  加速度传感器是通过测量被加速运动物体的惯性力来确定加速度的测量装置。根据牛顿定律,被加速物体有一种惯性力,其大小等于它的质量和加速度的乘积,而其方向与加速度方向相反。由于这种惯性力的存在,使被加速系统中悬挂的弹性片发生弯曲,其弯曲量可由GMR磁敏器件进行测量,从而得到系统的加速度。
  2.GMR读出磁头在计算机信息存储中的应用
  由于利用了SPIN-VALVE?GMR材料而研制的新一代硬盘读出磁头,已经把存储密度提高到目前(2000年)的560亿位/平方英寸,并且GMR磁头已占领磁头市场的百分之九十到九十五。现在磁记录存储密度已超过所有的存储方式。正是利用GMR材料,才使得存储密度在最近几年内每年的增长速度达到3—4倍。随着低电阻高信号的TMR的获得,实现存储密度到1000亿位/平方英寸,将是近一两年的目标。
  3.GMR在随机存储(MRAM)中的应用
  利用SPIN-VAVLE,TMR材料和半导体集成技术正在研制一种新的计算随机存储器芯片,由于0和1状态的设置的原理来源于磁性材料特有的磁滞效应,因此在突然断电时也不会丢失信息。半导体的非易失存储器是以极微小的电容器,是利用存储一份电荷来保存信息。如果断电,这份电荷就要耗尽,信息就会丢失。另外采用GMR的磁随机存储器将比半导体的非易失存储器速度快而廉价,美国的IBM和摩托罗拉及欧洲的菲利普、西门子和INESC都在加紧研究。
  4.GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用
  利用GMR材料可研制出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。目前正在把磁性GMR多层膜和半导体材料集成在一起,主要是利用电子的自旋注入(SPIN—INJECTION)来开发新的磁性器件。全金属的计算机将成为可能。
  三、?发展前景
  人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代,自旋极化输运给人类带来的也许又是一片广阔的天地。磁电子学给予人类以梦想和希望,同时也给予我们更多、更大的挑战。事实上人类对于自旋极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段,对新出现的新现象、新效应的理解基本上还是一种“拼凑式”的、半经典的唯象理论。作为磁学和微电子学的交叉学科,磁电子学将无论在基础研究还是在应用开发上都将是凝聚态物理学工作者和电子工程技术人员大显身手的新领域。
  磁电子学是一项方兴未艾的事业,其发展必定带来人类技术文明的进一步发展。深圳华夏磁电子技术开发有限公司志在建立一个磁电子学在国内的发展平台,广泛的吸引国内外磁电子学人才,促进磁电子学在国内的产业化发展,在磁传感器芯片生产的基础上,开发生产磁随机存贮器、全金属计算机等高精尖磁电子产品,树立一个新技术与产业化同步发展的典范。
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