多层膜的巨磁阻抗GMI效应电子计步器

多层膜的巨磁阻抗（GMI）效应

多层膜的巨磁阻抗（GMI）效应 2011： 【论文摘要】巨磁阻抗多层膜相比单层膜具有不可比拟的优越性，它可以在很低的频率范围获得非常明显的巨磁阻抗效应。综述了多层膜GMI效应的研究现状，着重探讨了材料、膜尺寸及绝缘层隔离对多层膜GMI效应的影响，并且探讨了多层膜GMI效应的物理本质。

1 引言

目前，巨磁阻抗薄膜因为具有稳定性好且与集成电路工艺相兼容的优点而获得了比较广泛的研究。一般而言，单层膜的巨磁阻抗效应随着驱动电流频率的增高先增后减，并在80～100MHz左右达到最大值（当膜厚为1～4μm左右时）[1]。当薄膜厚度小于0.1μm时，其GMI效应的峰值频率将达GHz范围，如此高的频率势必限制其在传感器领域内的广泛应用。而多层膜（其典型结构为三明治结构，即两层铁磁膜夹一层导电膜）则可在很低的频率范围内获得明显的GMI效应，因为其不需要明显的趋肤效应的条件[2]。此外，多层膜的GMI效应可达到同类单层膜的几十倍[3，4]。由于多层膜存在的巨大优越性，对其巨磁阻抗效应的研究引起了广泛的重视[5～7]。下面着重探讨材料、膜尺寸及绝缘层隔离对多层膜GMI效应的影响。2 材料选择对多层膜GMI效应的影响 多层膜一般为三明治结构，即由两层铁磁薄膜夹一层导电薄膜构成。选择不同的铁磁层材料和导电层材料会对多层膜GMI效应的灵敏度产生一定的影响。 图1为不同的铁磁层材料对多层膜GMI效应影响的关系曲线[4]。从图1中可以看出，在同样的测试条件下，以CoSiB非晶作铁磁层的多层膜的GMI效应要好于以FeCoSiB非晶作铁磁层的多层膜。前者的最大GMI效应比可达16% /(79.6A/m)，而后者只有7% /(79.6A/m)。产生这种现象的原因主要是FeCoSiB中的感生各向异性要大于CoSiB中的感生各向异性的缘故。

图2为不同导电层材料制成的多层膜的阻抗变化率（外加磁场720A/m）与驱动电流频率的关系曲线[4]。从图中可以看出，由银作导电层的多层膜的GMI效应最明显（可达49% /（79.6A/m）），铜次之（38% /（79.6A/m）），而钛的效果最差（约1% /（79.6A/m））。这说明导电层的导电能力越好，多层膜的GMI效果越明显。此外，图中还给出了单层CoSiB薄膜的GMI效应曲线。从图中可以看出，在10MHz左右的频率范围几乎观察不到单层膜的巨磁阻抗效应。而此时多层膜的GMI效应却已经非常明显。3 几何尺寸对多层膜GMI效应的影响 由于多层膜构造的复杂性，导致几何尺寸（包括导电层、铁磁层甚至绝缘层的几何尺寸）对其GMI效应产生较明显的影响。图3为铁磁层的宽度对CoSiB/Cu/CoSiB三明治多层膜GMI效应的影响的实验结果[4]。从图中可以看出（图中样品所示尺寸比例不同），在导电层宽度保持为2mm不变时，随着导电层宽度从0.5mm、经过2mm增加到5mm，多层膜的磁阻抗比ΔZ/Z0从10%经过15%增加到22%。峰的位置向较高磁场方向移动，所以可以通过调整铁磁层形状来改变巨磁阻抗峰值磁场Hp的大小。

Morikawa等人[3]研究了导电层的宽度对CoSiB/SiO2/Cu/SiO2/CoSiB多层膜GMI效应的影响。如图4所示，随着导电层宽度的增加，多层薄膜GMI效应增强。

4 绝缘体隔离对多层膜GMI效应的改善 图5为F（铁磁层）/M(导电层)F/(铁磁层)三明治结构多层膜的几何结构示意图。从图中可以看出，导电层与铁磁层是直接接触的，这样便会使导电层与周围的铁磁层形成磁通回路，增大涡流损耗，从而减弱多层膜的GMI效应[3]。如果在导电层与铁磁层之间增加绝缘层隔离，将交变电流完全限制在导电层内，则将会增强多层膜的GMI效应[3，6]。图6为CoSiB/SiO2/Cu/SiO2/CoSiB多层膜的几何结构示意图。与图6及图5对应的多层膜GMI效应的实验结果见图4[3]。从图4可以看出，SiO2的隔离会显著提高多层膜的GMI效应。 除了前面所述的五层膜外，Antonov等人[6]还研究了F/SiO2/Ti/Cu/Ti/SiO2/F七层膜的GMI效应。在SiO2层与Cu层之间加一Ti层的目的是为了增强薄膜间结合性能。所以，七层膜的GMI效应与五层膜的GMI效应大

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