Jste zde

GMR senzory mag. pole - 1. díl - princip a struktura

Antonín Vojáček, 12. Červenec 2011 - 22:05

GMR efekt je jedním z nejnověji objevených a realizovaných fyzikálních zákonů, který se již masivně komerčně využívá v podobě integrovaných GMR senzorů magnetického pole. Jsou to noví přibuzní AMR senzorů, ale proti nim se vyznačují výrazně větší citlivostí.

Nedávno jsme si v článku "Integrované AMR senzory magnetického pole" ukázali princip a použití již dlouho známého jevu anisotropní resistence AMR. I když jde o poměrně dlouho známou vlastnost, v posledních letech však její využití ustoupilo do pozadí. Za to může poměrně nedávné objevení daleko „účinnějšího“ podobného jevu pod název GMR (Giant MagnetoResistive effect), tedy velký magnetorezistenční jev. Ten byl objeven v roce 1988 dvojicí pánů Fert a Grunberg, kteří si později (v roce 2007) za tento objev odnesli Nobelovu cenu za fyziku.

Pomocí GMR prakticky získáváme stejnou vlastnost jako v případě AMR, tedy závislost elektrického odporu na velikosti působícího magnetického pole, ale proti AMR je zde vliv mag. pole na změnu odporu výrazně větší, konkrétně o 10 až 50% jmenovité hodnoty odporu v porovnání s pouze s několika procenty v případě AMR. Proto to označení Giant (Velká či obří). Další výhodou je fakt, že GMR jev vyvolá již velmi slabé magnetické pole. V praxi došlo hned k neskutečně rychlému vzniku a rozšíření integrovaných senzorů založených na GMR, přičemž opravdu masově našlo GMR využití v případě čtecích hlav moderních harddisků. Právě díky tomu se teď můžeme těšit z až Terabitových kapacit harddisků, přičemž velikost záznamové plochy zůstala stejná. Zmenšila se tedy magnetická ploška disku se znamenaným bitem a díky velmi citlivým GMR čtecím hlavám, je stále lze správně přečíst.

Princip a základní struktura GMR senzoru

Popis principu GMR je pak proti AMR o dost složitější. Zde se již pracuje na úrovni nanovrstev a jednotlivých atomů. Proto byl jev objeven až v současné době, kdy vědci a výrobci již umí na této úrovni pracovat.

Základní struktura poskytující GMR jev je složená ze „sendviče“ feromagnetických slitin tenkých jen několik nanometrů, které jsou vzájemně oddělené ještě tenčí nemagnetickou vodivou střední vrstvou, často v podobě měděné vrstvičky. Měď je sice za normálních okolností výborný vodič, ale v případě vrstvy tloušťky jen několika atomů, však u ní rychle narůstá elektrický odpor. Tento odpor se pak dost výrazně mění v závislosti na tzv. spinu postupujících elektronů. Vystavíme-li tuto strukturu působení externího magnetického pole vyrovnají se magnetické spiny ve feromagnetických vrstvách, čímž se výrazně změní el. odpor celé struktury. Často se využívá vícevrstvé struktury, která tento jev maximalizuje a tedy zvyšuje celkovou citlivost vytvořeného GMR senzoru.

Pro lepší pochopení, jak to však vlastně funguje, je nutné se podívat na strukturu na atomární úrovni. Zatímco el. odpor kovů závisí na tom, jak volná je cesta pro procházející elektrony (jak často se srážejí procházející elektrony s překážkami), u GMR struktury pak volnost cesty závisí na orientaci tzv. spinu elektronů vzhledem k magnetickému momentu mag. vrstvy. Spin elektronů je prakticky vlastnost udávající, jakým směrem se elektron otáčí (ve směru – tzv. spin nahoru, v protisměru – tzv. spin dolů). Zatímco v elektricky vodivých nemagnetických materiálech se vyskytuje stejný počet elektronů se spinem nahoru a dolů (energeticky vyrovnaná bilance), ve feromagnetických materiálech se mohou volně pohybovat jen ty elektrony, jejichž směr spinu je souhlasný (paralelní) se směrem magnetického momentu v materiálu. Když je jejich směr spinu antiparalelní (nesouhlasný) s magnetickým momentem, elektron se v materiálu "zabrzdí" (je jakoby odpuzován). V praxi to tedy znamená, že elektrony snadno procházejí vrstvou jejíž magnetizace je souhlasná s jejich spinem a jen velmi obtížně procházejí vrstvou, jejíž magnetizace je opačná vzhledem k jejich spinu.

Při nesouhlasné magnetizaci obou magnetických vrstev z kobaltu (FM) elektrony téměř neprojdou (struktura klade proudu vysoký odpor), zatímco při souhlasné magnetizaci obou FM elektrony jednoho spinu snadno projdou (struktura klade proudu nízký odpor).

Když tento jev „napasujeme“ na výše uvedenou sendvičovou strukturu, výsledek je následující: Protože „z přívodního vodiče“ proudí stejné množství elektronů se spinem nahoru (rotující ve směru) a se spinem dolů (rotující v proti směru), tak první feromagnetickou vrstvou projdou jen elektrony s jedním spinem, tedy cca 50 % z množství. Pokud následující druhá feromagnetická vrstva je vystavena stejnému směru magnetického pole jako vrstva první, projdou jí téměř všechny zbylé elektrony do „výstupního vodiče“. El. odpor je tedy nízký. Pokud druhá feromagnetická vrstva je vystavena opačnému magnetickému poli než vrstva první, elektrony, které prošly první vrstvou již zde neprojdou (mají opačný spin než je směr magnet. Momentu), el. odpor je tedy velmi vysoký. Tedy shrneme-li to, tak pokud je magnetizace obou vrstev shodná, projde přibližně polovina elektronů. Pokud je magnetizace opačná, neprojde téměř žádný.

Zde je odkaz na nádhernou video ukázku výše popsaného principu na stránkách serveru Aldebaran - www.aldebaran.cz/animace/Phy_gmr.mpg

Prakticky realizovaná struktura GMR senzoru

Toto řešení by šlo také v praxi použít, ale takto pojatá struktura není vhodná pro snadnou integraci. Proto ve skutečném GMR senzoru nebo čtecí hlavě obvykle prochází elektrický proud ve směru rovnoběžném s vrstvami, nikoli kolmo na ně. Elektrony tekoucí velmi tenkou střední vodivou nemagnetickou vrstvou pronikají i do sousedních feromagnetických vrstev a právě tyto elektrony způsobí měřenou změnu odporu. Tím lze zvýšit a průmyslově snadno přesně doladit požadovaný elektrický odpor součástky. Také to umožňuje dosáhnout opakovaně stejné hodnoty odporu u všech vyráběných GMR senzorů stejné výrobní řady.

Prakticky lze tuto popsanou funkční základní strukturu vytvořit například jako sendvič dvou magneticky měkkých vrstev slitiny železa, niklu a kobaltu tloušťky 4 až 6 nm oddělené nemagnetickou vodivou vrstvou tloušťky 3 až 5 nm. V plošném pohledu obvykle v podobě proužků rozměrů několika mikrometrů. Takovýto „jednoduchý“ GMR senzor pak při aplikaci externího magnetického pole o velikosti 2,4 až 5 kA/m (30 až 60 Oe) v stejném podélném směru jako jsou proužky, způsobí změnu odporu typicky o 4 až 9%. To v praxi tedy například znamená změnu proudu v rozsahu stovek mikroA až jednotek mA. Problémem však může být fakt, že pro nastavení této struktury na vysoký odpor je nutné aplikovat podél spodní a horní magnetické vrstvy pole vzájemně opačného směru, aby magnetický moment obou vrstev byl antiparalelní.

Typická závislost změny el. odporu na velikosti mag. pole u základní sendvičové struktury dvou magneticky měkkých vrstev slitiny železa, nikla a kobaltu tloušťky 4 až 6 nm oddělené nemagnetickou vodivou vrstvou tloušťky 3 až 5 nm.

Protože však v praxi obvykle chceme detekovat či měřit jen přítomnost/nepřítomnost jednoho externího mag. pole, GMR senzor či čtecí hlava harddisku se obvykle realizuje tak, že pokud není přítomno žádné mag.pole, obě feromag. vrstvy mají vzájemně opačný magnetický moment (antiparalelní párování) a senzor tedy má vysoký odpor. Pokud na celou strukturu senzoru působí mag. pole jednosměru a mag. moment obou mag. vrstev je tedy stejný, antiparalelní uspořádání se zruší, elektrony prochází a odpor je tedy nízký. Takto provedený GMR senzor je také někdy nazýván jako SPIN VALVE, tedy spinový ventil.

Zmíněné tzv. antiparalelní párování je možné v praxi realizovat tak, že se u jedné magnetické vrstvy magnetický moment pevně "zafixuje" (Pinned Layer), zatímco druhá mag. vrstva se nechá volně reagovat na externí mag. pole (Free Layer). Zafixovaná mag. vrstva se vytvoří přidáním další tenké nemagnetické vrstvy (Antiferomagnetic Exchange Film) na opačnou stranu, než se nachází střední nemag. vrstva (Cu Conducting Spacer). Aby to celé fungovalo, tak musí tato další vrstva mít tzv. optimální tloušťku (obvykle pouze 1,5 až 2 nm). Čím přesněji je při výrobě hodnota optimální tloušťky dodržena, tím výraznější je antiparalelní párování a tedy tím větší je odpor senzoru bez mag. pole a větší je rozdíl odporu v režimu s a bez přítomnosti mag. pole (v praxi typicky 10- 25 %). Na druhou stranu pokud vrstva nemá správnou tloušťku, může se tento párovací mechanismus GMR efekt zcela zničit, protože zapříčiní feromagnetické spárování mezi magnetickými vrstvami. Také pouze několik nanometrů tlusté vrstvy pak také znamenají volný průchod elektronů. Jinak takový typický moderní GMR senzor má tloušťku magnetických vrstev cca 3 nm, což je méně než 10 atomárních vrstev mědi.

Princip funkce běžně vyráběných GMR senzorů (A = vodivá nemagnetická vrstva, B = vodivá magnetickýá vrstva, C = směr vstupu el. proudu, D = směr externího snímaného magnetického pole).

Typická závislost změny el. odporu na velikosti externího mag. pole u výše uvedené struktury GMR senzoru v provedení SPIN VALVE.

Provedení integrovaného GMR senzoru

Běžně se pak i realizuje raději multivrstvá struktura, která se vyznačuje větší linearitou, citlivostí a větší změnou odporu při slabším magnetickém poli. Taková struktura pak dnes typicky mění svůj odpor v rozsahu 12 až 16% při aplikace mag. pole cca 20 kA/m (250 Oe)

V praxi se integrovaný křemíkový GMR senzor obvykle vytváří pomocí vakuového nanášení tenké vrstvy kovové slitiny na křemíkový substrát. Následně je plocha odporu pomocí fotolitografie vytvarována do podoby dlouhého skládaného „hada“, aby měl snímač co největší odpor a tedy při měření jeho odporu stačil jen malý el. proud. U typického GMR senzoru jsou pak odporové plošky zapojeny do Wheatstonova můstku a tedy senzor se tak stává převodníkem změny mag. pole na změnu el. napětí.

Příklad zapojení GMR senzoru s napěťovým výstupem realizovaného Wheatstonovým můstkem.

Z pohledu převodní charakteristiky je z výše nastíněného principu funkce patrné, že GMR senzor má tendenci snadno přecházet do saturace, tedy do stavu, kdy se změnou mag. pole se již nemění odpor a tedy ani výstupní napětí můstku. Zvláště u více vrstvé struktury k tomu obvykle stačí i jen velmi slabé magnetické pole. Proto se tak výborně hodí pro konstrukci čtecích hlav harddisků, protože tam nás zajímají jen limitní hodnoty (0 či 1). Pro konstrukci senzorů s lineárním výstupem se pak již hodí méně.

Typická charakteristika GMR senzoru s Wheatstonovým můstkem.

Závěr

V 2. pokračování, které bude brzo následovat, se již podíváme na některé konkrétní zástupce integrovaných GMR senzorů a také na obecné provedení GMR čtecích hlav harddisků.

Článek vytvořil z podkladů výrobců: Antonín Vojáček