自旋阀结构及GMR传感器研究

论文摘要

近年来,采用自旋阀巨磁电阻（GMR）材料实现磁场传感是磁电子学领域和传感技术领域的研究热点。本文深入系统地研究了典型顶钉扎自旋阀结构和几种特殊的自旋阀结构的磁电阻特性和性能优化手段,开发了一套能够大大降低自旋阀材料矫顽力的新型横向退火工艺,系统地研究了自旋阀的单畴模型,通过自旋阀单畴模型的指导,并利用半导体工艺流水线制造了三种GMR传感器。经过横向退火工艺处理,GMR线性电桥传感器的性能在国际上处于先进水平。最后搭建了三种基于GMR传感器的高精度检测系统。论文首先研究了典型顶钉扎自旋阀薄膜材料的性能优化,通过调整薄膜各层厚度得到了高磁电阻率低矫顽力的高性能自旋阀材料;在这基础上通过加入NiFeCr附加缓冲层、加入SAF结构等手段得到了局部性能优秀的自旋阀材料。进行了自旋阀薄膜的温度特性研究。提出利用新型的横向磁场热退火工艺来降低自旋阀材料的矫顽力,为高性能的GMR传感器提供了核心材料。其次,系统地研究了自旋阀的单畴模型,运用能量极小的方法计算得到了自旋阀的磁场响应曲线,与实验结果吻合。对基本的单畴模型进行修正得到非平行易磁化轴自旋阀单畴模型和变磁场角自旋阀单畴模型,提出用非平行易磁化轴单畴模型解释横向退火工艺,得到此工艺对自旋阀的影响的经验公式。然后,在单畴模型的指导下,对GMR单条传感器、GMR磁栅尺传感器和GMR线性电桥传感器进行了版图和工艺设计,利用高性能自旋阀薄膜材料,采用三步光刻法和五步光刻法,在半导体工艺线上流水制造出这三种GMR传感器。经过多次流水,传感器成品率高。通过横向退火工艺降低GMR传感器的矫顽力,然后系统地测试了三种传感器的磁场响应和GMR单条传感器的角度响应、均匀性和噪声等性能参数。结果表明,GMR单条传感器和GMR磁栅尺传感器性能良好,而GMR线性电桥传感器线性范围为30.35Oe,灵敏度为1.61mV/Oe-V,线性拟合度为99.952%,达到国际先进水平。最后搭建了弱磁线性检测系统、磁栅尺位移检测系统和生物免疫磁球检测系统三种检测系统,其中磁栅尺位移检测系统已经作为产品投入市场。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 磁电子学简介
• 1.2 磁电阻效应综述
• 1.3 GMR 传感器的研究进展与应用前景
• 1.4 论文研究的目的和意义
• 第2章 自旋阀型GMR 材料研究
• 2.1 自旋阀薄膜的制备、处理和测试手段
• 2.2 典型顶钉扎自旋阀的性能优化研究
• 2.3 特殊结构自旋阀的研究
• 2.4 自旋阀的温度特性研究
• 2.5 新型横向磁场热退火工艺研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 自旋阀单畴模型研究
• 3.1 铁磁材料的单畴模型
• 3.2 自旋阀的单畴模型
• 3.3 新型横向退火工艺的非平行易磁化轴单畴模型解释
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于自旋阀材料的GMR 传感器研究
• 4.1 GMR 单条传感器的研究
• 4.2 GMR 磁栅尺传感器的研究
• 4.3 GMR 线性电桥传感器的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于GMR 传感器的检测系统研究
• 5.1 弱磁线性检测系统
• 5.2 磁栅尺位移检测系统
• 5.3 生物免疫磁球检测系统
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 论文工作的主要成果
• 6.2 论文工作的创新点
• 6.3 对进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 声明
• 附录A NIFECR 附加缓冲层结构计量院测试证书
• 附录B 单畴模型计算程序
• 附录C 工艺流程卡
• 附录D GMR 磁栅尺传感器使用证明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果