含磁集聚结构的磁阻单元的设计、制备与测试

摘要

磁场矢量信息的准确测量能够作为对空间环境探测、认知的重要手段之一。研究人员对适应不同的应用环境的磁矢量传感器提出了不同的要求，而新型敏感机理的高精度磁传感器是现阶段研究的重点，研究人员希望其在体积微型化的同时还具有功耗低、磁测灵敏度高、磁滞较小并且温度稳定性好的特性。因此，本文将磁阻传感器与磁通集聚结构相结合构成测试器件，对磁集聚结构和磁阻传感器的结构进行了设计、制备工艺优化，得到较好的输出性，以期磁场测量精度能够被提高。
　　本文在磁场集聚结构理论已经进行研究的情况下，以各向异性磁阻传感单元作为研究对象，提出了磁阻单元结构和磁集聚对称结构间隙距离的设计原则。首先，对磁阻单元结构采用ANSYS有限元仿真软件进行仿真、分析，通过分析计算得知，相较于未改变的单条磁阻单元，将单条磁阻两端进行尖端角度设计后，磁电阻相对变化率得到提升，尖端角度为30°时的变化率约为2.4％，而采用电极偏置方式后，其输出线性范围得到优化，测试线性范围增大;分析了对称的磁集聚结构间隙距离对感应磁场的影响。在设计仿真的基础上，采取磁控溅射制备技术制备了磁阻薄膜单元，分析了工艺条件对薄膜磁阻性能的影响，针对工艺条件中溅射气压、界面插层等因素进行了研究;针对薄膜厚度的影响因素进行了研究;针对退火前后偏置电极材料的电阻性能进行了分析。通过磁控技术实验制备出的磁阻薄膜，有较好的磁滞回线，表明材的软磁性能较好。利用四探针技术测量样品的各向异性磁电阻值测试得到，磁场强度为40Oe的范围内，磁阻单元的灵敏度约为3.52V/T。最后，对磁场集聚结构轴向放大性能及对称空隙间距进行了测试，测试结果可知，磁集聚结构能够显著的提高测量磁场的线性放大区间，具有轴向磁场放大特性。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景

1．2 磁集聚结构与磁阻传感器的研究发展现状

1．3 薄膜技术的发展动态

1．4 论文的主要工作

2．磁集聚结构与磁阻单元的设计及仿真

2．1 磁阻单元总体结构

2．1．1 薄膜磁阻结构设计原理

2．1．2 结构设计仿真分析

2．2 磁集聚结构

2．2．1 外置磁集聚结构特性理论分析

2．2．2 磁通聚集放大因子分析

2．2．3 磁集聚结构仿真分析

2．3 小结

3．材料选择与薄膜表征技术

3．1 材料选择

3．1．1 磁集聚结构材料

3．1．2 磁阻薄膜材料

3．1．3 偏置电极材料

3．2 磁性薄膜性能表征测试技术

3．2．1 四探针测试仪

3．2．2 台阶仪

3．2．3 X射线衍射(XRD)

3．2．4 原子力显微镜(AFM)

3．2．5 磁屏蔽筒

3．3 小结

4．薄膜设计与制备

4．1 制备尺寸的设计

4．1．1 磁阻结构尺寸设计

4．1．2 磁集聚结构尺寸设计

4．2 薄膜制备技术

4．3 制备工艺流程

4．3．1 磁阻单元制备工艺流程

4．3．2 磁集聚结构制备

4．4 小结

5 磁集聚结构与磁阻结构测试

5．1 工艺条件对磁性薄膜的影响

5．1．1 溅射气压对薄膜磁阻性能影响

5．1．2 种子层对磁阻单元薄膜性能影响

5．2 薄膜厚度对磁阻性能影响

5．3 偏置电极性能测试

5．4 磁组结构测试

5．4．1 薄膜磁阻厚度测试

5．4．2 磁阻灵敏度测试

5．5 含磁集聚结构磁阻单元性能测试

5．6 小结

6．论文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 下一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢