用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究

论文摘要

地球磁场作为地球的基本资源之一,与人类生活、生产息息相关,它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。鉴于地磁场的重要应用价值,人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性性、低功耗、易于微型化等优点,因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。本文以各向异性磁阻传感器（AMR sensor）作为研究对象,结合地磁测量的相关要求,对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨,主要内容包括以下几个方面:首先,在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上,综述了各向异性磁阻材料的研究现状,并结合地磁场的特点,讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。其次,在传感器材料方面,本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜,分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化,分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料,最大磁阻系数为1.5%。最后,在器件结构方面,本文分别对惠斯通电桥、barber电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨,然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版,讨论并梳理了器件制备的工艺流程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 地磁测量的重要意义
• 1.2 AMR传感器用于地磁测量的可行性探讨
• 1.3 本文的主要研究工作及进展
• 2 AMR传感器的原理、性能指标及其主要优化途径
• 2.1 AMR效应的基本原理
• 2.2 AMR传感器的主要性能指标
• 2.3 优化AMR传感器性能的主要途径
• 3 AMR磁阻材料的制备
• 3.1 薄膜的制备原理及工艺条件
• 3.2 溅射速率及薄膜成分的标定
• 4 实验结果及分析
• 4.1 单层NiFe薄膜的磁特性研究
• 4.2 NiFeCr种子层对NiFe磁阻特性的影响
• 2O₃作为种子层及掺杂层对NiFe磁阻特性的影响'>4.3 Al₂O₃作为种子层及掺杂层对NiFe磁阻特性的影响
• 4.4 退火对薄膜磁阻特性的影响
• 4.5 实验小结
• 5 AMR传感器结构设计及其制备
• 5.1 AMR传感器的基本结构概述
• 5.2 惠斯通电桥结构的设计思路
• 5.3 barber电极的设计思路
• 5.4 置位/复位电流带和偏置电流带
• 5.5 版图设计结果及主要工艺流程
• 5.6 小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献