工業(yè)40——基于GMI效應(yīng)的傳感器概述

1、 論文題目：工業(yè)4.0基于GMI效應(yīng)的傳感器概述院 系： 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 集成電路工程 論文作者： 李榮良、李輝 13工業(yè)4.0基于GMI效應(yīng)的傳感器概述第一章 緒論1.1 工業(yè)4.0簡(jiǎn)介“互聯(lián)網(wǎng)+制造”就是工業(yè)4.0。“工業(yè)4.0”是德國(guó)推出的概念，美國(guó)叫“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國(guó)叫“中國(guó)制造2025”，這三者本質(zhì)內(nèi)容是一致的，都指向一個(gè)核心，就是智能制造。1.2 工業(yè)4.0的一些特點(diǎn) 互聯(lián)：互聯(lián)工業(yè)4.0的核心是連接，要把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密地聯(lián)系在一起。數(shù)據(jù)：工業(yè)4.0連接和產(chǎn)品數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、研發(fā)數(shù)據(jù)、工業(yè)鏈數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、銷(xiāo)售數(shù)據(jù)、消費(fèi)者數(shù)據(jù)。集

2、成：工業(yè)4.0將無(wú)處不在的傳感器、嵌入式中端系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、通信設(shè)施通過(guò)CPS形成一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)這個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)，使人與人、人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器、以及服務(wù)與服務(wù)之間，能夠形成一個(gè)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)橫向、縱向和端到端的高度集成。創(chuàng)新：工業(yè)4.0的實(shí)施過(guò)程是制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的過(guò)程，制造技術(shù)、產(chǎn)品、模式、業(yè)態(tài)、組織等方面的創(chuàng)新，將會(huì)層出不窮，從技術(shù)創(chuàng)新到產(chǎn)品創(chuàng)新，到模式創(chuàng)新，再到液態(tài)創(chuàng)新，最后到組織創(chuàng)新。轉(zhuǎn)型：對(duì)于中國(guó)的傳統(tǒng)制造業(yè)而言，轉(zhuǎn)型實(shí)際上是從傳統(tǒng)的工廠，從2.0、3.0的工廠轉(zhuǎn)型到4.0的工廠，整個(gè)生產(chǎn)形態(tài)上，從大規(guī)模生產(chǎn)，轉(zhuǎn)向個(gè)性化定制。實(shí)際上整個(gè)生產(chǎn)的過(guò)程更加柔性化、個(gè)性化、定制化。這是工

3、業(yè)4.0一個(gè)非常重要的特征。1.3 工業(yè)4.0的技術(shù)支柱工業(yè)4.0九大技術(shù)支柱包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)機(jī)器人、3D打印、知識(shí)工作自動(dòng)化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能。這九大支柱中會(huì)產(chǎn)生無(wú)數(shù)的商機(jī)和上市公司。1.4 工業(yè)4.0的核心這是一次巨大的產(chǎn)業(yè)革命，錯(cuò)過(guò)了工業(yè)4.0也就錯(cuò)過(guò)了這個(gè)時(shí)代！誰(shuí)最終贏得第四次工業(yè)革命主導(dǎo)權(quán)？第四次工業(yè)革命以2013年德國(guó)漢諾威為標(biāo)志，宣布這一輪工作革命以智能制造為核心。第2章 巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)概述2.1 巨磁阻抗效應(yīng)的定義巨磁阻抗效應(yīng)指的磁性材料的交流阻抗隨外磁場(chǎng)的變化而顯著變化的現(xiàn)象。按照巨磁阻抗效應(yīng)的定義，巨磁阻抗效應(yīng)應(yīng)該用磁性材料的

4、阻抗Z隨外磁場(chǎng)Hex的變化曲線Z-Hex來(lái)表征。但是由于不同的磁性材料的電阻率相差很大，即使是同種磁性材料制備的樣品的厚度和測(cè)量長(zhǎng)度也無(wú)法嚴(yán)格控制，所以通過(guò)樣品的Z-Hex曲線無(wú)法比較不同樣品的巨磁阻抗效應(yīng)的強(qiáng)弱。因此在研究中采用阻抗的相對(duì)變化值隨外加磁場(chǎng)的變化曲線Z/Z-Hex來(lái)表征巨磁阻抗效應(yīng)。 目前，對(duì)巨磁阻抗效應(yīng)的定標(biāo)有兩種：一種是采用外加磁場(chǎng)為零時(shí)的阻抗（Hex = 0）作為參考點(diǎn)，但是因?yàn)椴牧系氖４艩顟B(tài)影響阻抗Z(0)的值，所以這個(gè)定義可能不合適；另一種以最大磁場(chǎng)Hmax的阻抗值作為參考點(diǎn)，Hmax的值由實(shí)驗(yàn)設(shè)備確定，因此Hmax也可能受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制。第二種定義：上式中，Hmax

5、通常是達(dá)到飽和阻抗時(shí)的外磁場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)設(shè)備所能提供的最大磁場(chǎng)。2.2 巨磁阻抗效應(yīng)的研究進(jìn)展早在六十年前，Harrison等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在外加軸向磁場(chǎng)的作用下，鐵磁性細(xì)絲的感抗會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)時(shí)把這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為磁感應(yīng)效應(yīng)。1992年，日本名古屋大學(xué)K. Mohri等人發(fā)現(xiàn)CoFeSiB非晶絲的兩端的感應(yīng)電壓隨著外加直流磁場(chǎng)的增加而急劇下降，當(dāng)時(shí)他們測(cè)量到的電壓是非晶絲感抗部分對(duì)應(yīng)的分量，因此實(shí)際上這種現(xiàn)象是磁電感效應(yīng)。往后的研究表明，鐵磁非晶合金的交流電阻也會(huì)隨外加直流磁場(chǎng)發(fā)生明顯的變化，為與通常所說(shuō)的磁阻(MR)效應(yīng)區(qū)分，該效應(yīng)被稱(chēng)為交流磁阻效應(yīng)。1994年巴西的Machado等人在Co70.4

6、Fe4.6Si15B1非晶鐵磁薄帶中觀察到了這種交流磁阻效應(yīng)。K. Mohri等人在綜合考慮了磁電感效應(yīng)和交流磁阻效應(yīng)后，認(rèn)為兩者是同一物理效應(yīng)的不同方面，并把磁性材料通以交變電流時(shí)，在外磁場(chǎng)作用下交流阻抗會(huì)發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象正式命名為巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)。 當(dāng)外磁場(chǎng)方向發(fā)生改變時(shí)，GMI曲線左右不對(duì)稱(chēng)性的現(xiàn)象稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)性巨磁阻抗(AGMI)效應(yīng)。非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)可以在測(cè)量阻抗時(shí)在磁性材料中施加直流偏置電流產(chǎn)生的直流偏置場(chǎng)來(lái)獲得，也可以在測(cè)量阻抗時(shí)沿著樣品軸向施加交流偏置磁場(chǎng)獲得，此外對(duì)鈷基非晶材料在空氣中退火使材料內(nèi)部出現(xiàn)交換場(chǎng)也能出現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性巨磁阻抗(AGMI)效應(yīng)。由于非對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗

7、效應(yīng)提高了線性度和磁場(chǎng)靈敏度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值，成為人們研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。 通過(guò)設(shè)計(jì)合適的測(cè)量電路或采用合適的測(cè)量方法，可以使磁性材料在測(cè)量阻抗時(shí)形成LC共振和磁力共振，顯著增強(qiáng)磁性材料的GMI效應(yīng)。Lee等人使用玻璃包裹磁性微絲設(shè)計(jì)出LC共振器，電極沒(méi)有連接到微絲的兩端鐵磁層，而是連接到玻璃層上，這樣電極和鐵磁層間夾雜不導(dǎo)電的玻璃介質(zhì)，形成天然的電容，構(gòu)成了LC共振器。由于LC共振器中微絲的磁導(dǎo)率的變化和電流的LC共振都會(huì)影響阻抗變化，所以GMI效應(yīng)可以通過(guò)調(diào)整流過(guò)樣品的驅(qū)動(dòng)電流頻率而極大的改善，通過(guò)精確的調(diào)整頻率為551.9.75 MHz可以使GMI最大值達(dá)到450,000%。吳志明等通

8、過(guò)磁控濺射方法，在Fe基玻璃包裹絲外濺射一層銅，形成外含導(dǎo)電層的復(fù)合絲，研究了LC共振對(duì)巨磁阻抗效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制銅層的長(zhǎng)度和厚度，可以調(diào)節(jié)復(fù)合絲的共振頻率和增強(qiáng)效果。發(fā)現(xiàn)GMI效應(yīng)共振增強(qiáng)幅度與復(fù)合絲的共振頻率和線寬有著密切的關(guān)系。當(dāng)包裹絲最佳阻抗變化頻率處于共振曲線斜率最大的位置時(shí)，巨磁阻抗效應(yīng)可以有較大的提高。并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)分布參數(shù)方法模擬，發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。吳志明等人還在實(shí)驗(yàn)中采用縱向驅(qū)動(dòng)方式，測(cè)量Fe基非晶、納米晶條帶的巨磁阻抗效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)由于Fe基條帶具有一定的磁致伸縮系數(shù)，在交變驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的作用下，會(huì)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)交變場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)頻率與樣品的機(jī)械振動(dòng)固有頻率一致時(shí)，元件的

9、阻抗大大增強(qiáng)，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，即發(fā)生磁力共振。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)條帶發(fā)生磁力共振時(shí)，滿足適當(dāng)?shù)臈l件，可以提高元件的巨磁阻抗效應(yīng)。磁力共振工作模式也可以用來(lái)研制MI傳感器。 最初，巨磁阻抗效應(yīng)多是研究磁致伸縮系數(shù)為接近零或負(fù)的鈷基非晶軟磁合金細(xì)絲，而后擴(kuò)展到鈷基非晶軟磁條帶。由于鐵基納米微晶材料價(jià)格低、高溫性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此又發(fā)展到研究Fe基納米微晶材料（絲或條帶）和薄膜的巨磁阻抗效應(yīng)。對(duì)材料的幾何結(jié)構(gòu)研究，開(kāi)始時(shí)以單質(zhì)絲、條帶、單層膜為主，后來(lái)發(fā)展到復(fù)合結(jié)構(gòu)形式如多層膜，復(fù)合結(jié)構(gòu)絲等。近來(lái)，巨磁阻抗效應(yīng)的研究更多地集中于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品指的是兩種或兩種以上電性能性質(zhì)不同的材料構(gòu)

10、成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。它主要包括復(fù)合結(jié)構(gòu)多層膜和復(fù)合結(jié)構(gòu)絲等形式。2.3 巨磁阻抗效應(yīng)的理論解釋巨磁阻抗效應(yīng)隨驅(qū)動(dòng)電流頻率的變化關(guān)系，大致上分為三個(gè)區(qū)域，不同頻率區(qū)域產(chǎn)生阻抗效應(yīng)的機(jī)理不同。 110 kHz為低頻區(qū)。在此區(qū)域內(nèi)，樣品兩端的電壓變化主要是由于磁電感效應(yīng)引起的24。 中頻區(qū)，從10 kHz開(kāi)始，上限可達(dá)幾兆赫茲。在此區(qū)域內(nèi)，外磁場(chǎng)的變化影響有效磁導(dǎo)率，有效磁導(dǎo)率的改變引起趨膚深度的變化，趨膚深度的改變又引起材料阻抗的變化，最終產(chǎn)生巨磁阻抗效應(yīng)25。 高頻區(qū)，頻率達(dá)到GHz量級(jí)，在此區(qū)域，可以觀測(cè)到趨膚深度的巨大變化，此區(qū)域的阻抗變化是由鐵磁共振引起的。 1、低頻區(qū)在低頻范圍內(nèi)，通過(guò)磁性材料

11、的交變電流產(chǎn)生一個(gè)交變環(huán)向磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向磁通變化并產(chǎn)生了一個(gè)軸向電場(chǎng)EZ ，磁性材料兩端的感生電壓就由該電場(chǎng)的大小決定：VL=EZ(a)l=(i/c2)LiI，其中，l是絲的長(zhǎng)度，Li是絲的自感。如果是勻質(zhì)絲?？偟膩?lái)說(shuō)，感生電壓由自感決定，而自感又與絲的環(huán)向磁導(dǎo)率的空間分布有關(guān)。當(dāng)?shù)皖l交變電流流過(guò)鐵磁絲的時(shí)候，絲的兩端總電壓VT等于絲的電阻電壓VR和感生電壓VL之和，即： VT=VR+VL=RI(i/c2)LiI其中，R是樣品的直流阻抗。當(dāng)在絲上施加直流外磁場(chǎng)Hex時(shí)，絲的環(huán)向磁矩分布和環(huán)向磁導(dǎo)率都會(huì)發(fā)生變化。如果定義Z=VT/I=Z1+iZ2 ，我們可以得出這樣的結(jié)論，在相對(duì)低頻時(shí)

12、，阻抗隨外磁場(chǎng)的變化主要是由于與環(huán)向磁導(dǎo)率成簡(jiǎn)單比例關(guān)系電感項(xiàng)變化引起的，而外磁場(chǎng)作用僅僅在于改變了有效磁導(dǎo)率。這個(gè)觀點(diǎn)也適用于解釋其他區(qū)域的巨磁阻抗效應(yīng)。 2、中頻區(qū)通常所說(shuō)的巨磁阻抗效應(yīng)指的就是中頻范圍內(nèi)樣品的阻抗變化。在中頻區(qū)，外加直流磁場(chǎng)改變材料的磁導(dǎo)率，引起趨膚深度的變化，從而使材料的阻抗發(fā)生變化，出現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)?？紤]勻質(zhì)材料內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)(磁矩取向)和材料本身的物理參數(shù)(如電導(dǎo)率、各向異性場(chǎng)、初始磁化率、阻尼系數(shù)和旋磁比等)，根據(jù)疇壁運(yùn)動(dòng)方程和Landau-Lifshitz(LL)磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)方程分別計(jì)算出在交變電流驅(qū)動(dòng)時(shí)材料的低頻疇壁移動(dòng)磁導(dǎo)率和高頻磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)磁導(dǎo)率，再通過(guò)求解Max

13、well方程組獲得材料內(nèi)外電磁場(chǎng)的分布，可以得到阻抗表達(dá)式。對(duì)于具有縱向磁疇結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)絲狀材料和薄膜，求得的阻抗表達(dá)式分別為： 對(duì)于具有環(huán)向磁疇結(jié)構(gòu)的勻質(zhì)絲狀材料求得的阻抗表達(dá)式為： 其中，J0和J1是第一類(lèi)貝賽爾函數(shù)，a是絲的半徑，t是薄膜的厚度，是趨膚深度。是電導(dǎo)率，是驅(qū)動(dòng)電流的角頻率，是材料的環(huán)向磁導(dǎo)率。 3、高頻區(qū)驅(qū)動(dòng)電流頻率很高時(shí)，磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)起主要作用時(shí)，此時(shí)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)的作用很大，需要基于麥克斯韋方程和朗道方程建立一個(gè)更嚴(yán)密的模型。為完成這個(gè)任務(wù)，Panina等人導(dǎo)出了具有環(huán)向或螺旋狀各向異性的絲和具有平面單軸各向異性的薄膜的動(dòng)態(tài)有效磁導(dǎo)率，這種模型和其他的一些模型忽略了層間相互作用，

14、因此僅是磁性材料的近似的模型，Yelon等人根據(jù)金屬中鐵磁共振的理論，考慮了交換作用，得到的結(jié)果與高頻時(shí)的巨磁阻抗效應(yīng)一致。 第3章 巨磁阻傳感器原理及其應(yīng)用3.1 集成巨磁阻原理所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得格林貝格和艾爾伯費(fèi)爾分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(jí)厚度的非磁性材料分隔開(kāi)來(lái)。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)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(chēng)為“巨磁阻效應(yīng)”。巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋,每一個(gè)電子都能夠自

15、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(guò)磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過(guò)磁性層的電子較少，此時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。如圖1所示，兩側(cè)藍(lán)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(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)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(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電

16、子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)，但較難通過(guò)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1：巨磁阻效應(yīng)示意圖基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)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）。參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會(huì)受到外界磁場(chǎng)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(kāi)。自由層磁場(chǎng)方會(huì)隨著外界平行磁場(chǎng)方向的改變而改變。圖2：巨磁阻磁效應(yīng)感應(yīng)層 巨磁阻阻值由自由層和參考層之間磁場(chǎng)方向夾角決定，電阻變化率如式所示：GMR傳感器應(yīng)用 如上文所說(shuō),巨磁

17、阻電阻值取決于自由層和參考層之間磁場(chǎng)方向夾角，自由層磁化方向會(huì)隨著外界磁場(chǎng)方向改變而改變。巨磁阻傳感器磁場(chǎng)工作區(qū)間如圖3所示，當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)|BK|時(shí)巨磁阻傳感器工作在飽和區(qū)，此時(shí)自由層和參考層磁化方向平行，進(jìn)一步增加外界磁場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)導(dǎo)致電阻值變化。當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍在- BK通常外界磁場(chǎng)強(qiáng)度BK為5mT時(shí)，巨磁阻阻值變化率在10%左右。磁場(chǎng)線性區(qū)間用于速度檢測(cè)，而飽和區(qū)間則用于角度檢測(cè)。圖3：磁場(chǎng)工作區(qū)間特效曲線3.2 巨磁阻應(yīng)用速度檢測(cè)  巨磁阻速度傳感器在汽車(chē)領(lǐng)域可以用于ABS、變速箱、凸輪和曲軸等速度及位置檢測(cè)。巨磁阻傳感器其感應(yīng)單元由四個(gè)巨磁阻單元組成一個(gè)惠斯通電橋，如

18、圖4所示為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，每一個(gè)半橋包含兩個(gè)巨磁阻單元，兩個(gè)半橋之間距離通常為2.5mm（為了適應(yīng)較小齒距輪速目標(biāo)輪，TLE5041PlusC差分感應(yīng)單元間距離為2.0mm）用于產(chǎn)生差分速度信號(hào)。如果需要檢測(cè)目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向，則可以在正中間增加第5個(gè)巨磁阻單元。方向信號(hào)和速度信號(hào)存在90°的相位偏移,通過(guò)比較速度信號(hào)和方向信號(hào)之間相位,可以判斷目標(biāo)輪轉(zhuǎn)向,從而輸出相應(yīng)PWM信息用來(lái)反映目標(biāo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。圖4：惠斯通電橋根據(jù)惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，容易得出如下公式：磁性傳感器通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化來(lái)檢測(cè)目標(biāo)輪速度以及方向, 而傳感器感應(yīng)面和目標(biāo)輪之間磁場(chǎng)產(chǎn)生方式主要有兩種:一種是針對(duì)非磁性輪應(yīng)用，如圖5左所示。對(duì)于這種非磁性輪應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)需要在傳感器背面集成磁鐵,即背磁方式（Back Bias）。還有一種是磁性輪,如圖5右所示。圖:5:磁性速度傳感器應(yīng)用根據(jù)磁性傳感器感應(yīng)原理，霍爾傳感器感應(yīng)垂直于霍爾感應(yīng)單元的磁場(chǎng)，即Z軸磁場(chǎng)。而巨磁阻傳感器則感應(yīng)的是平行于巨磁阻感應(yīng)單元的磁場(chǎng)，即X,Y軸磁場(chǎng)。對(duì)于一些非磁性輪應(yīng)用