CN202196162U - 一种磁电阻自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁电阻自动测量装置，包括磁电阻测量单元、磁场发生单元、样品移动单元以及控制单元，首先将待测磁电阻样品通过开口放入磁场发生单元内后，由控制单元发出测量控制信号，磁电阻测量单元接收测量控制信号后，与待测磁电阻样品中的任一磁电阻芯片相连接。然后控制单元依据预设的待测磁电阻芯片所需的测量要求控制磁场发生单元产生相应的测量磁场；磁电阻测量单元依据待测磁电阻芯片所需的测量要求设置相应的电流信号，并将测量获得的电压信号发送至控制单元，由控制单元依据电流信号以及电压信号计算获得相应待测磁电阻芯片的磁电阻值。本实用新型能够快速准确高效的自动测量大批量磁性材料芯片磁电阻。

Description

一种磁电阻自动测量装置

技术领域

本实用新型涉及微型磁性器件的精确定位与采用霍尔效应、AMR、GMR、TMR的相关磁性传感器的磁电阻测量及处理技术，更具体地说，是涉及一种磁电阻自动测量装置。

背景技术

磁致电阻效应即磁电阻效应简称MR，就是在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值会发生明显变化的现象，这主要是由于外加磁场与金属或半导体内的电子自旋磁矩相互作用的结果。通常将磁场引起的电阻率变化写成Δρ=ρ（H）-ρ（0），其中ρ（H）和ρ（0）分别表示在磁场H中和无磁场时电阻率。磁电阻的大小常表示为： MR= Δρ/ρ*100%，其中ρ可以是ρ（0）或ρ（H）。

目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应可以大致分为以下几种:1）由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻简称OMR；2）与技术磁化相联系的各向异性磁电阻简称AMR；3）掺杂稀土氧化物中特大磁电阻简称CMR；4）磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻简称GMR；5）隧道磁电阻简称TMR等。

绝大多数非磁性导体的MR很小约为10^-5 %，磁性导体的MR最大约为3～5%，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关即具有各向异性，称为各向异性磁电阻AMR。

1988年，长期研究磁电阻现象的法国巴黎大学Albert Fert教授研究组，从英国物理学家N.F.Mott提出的磁性金属电现象的模型出发，设计了一种多层薄膜结构，并在分子束外延制备的Fe/Cr多层膜中发现MR可达50%，其值远大于通常的AMR，成功地“放大”了磁电阻现象。并且在薄膜平面上磁电阻是各向同性的。人们称之为巨磁电阻GMR。

在1998年左右，巨磁阻磁头开始被大量应用于硬盘当中，从那时起，短短的几年时间里，硬盘的容量就从4G提升到了当今的400G。但是，即便是这项叱咤风云的技术，发展到现在也已经接近了极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前行业公认的下一代技术是“垂直磁记录”技术，即“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此之前的技术都属于“水平磁记录”技术。当硬盘向垂直磁记录技术转变时，巨磁阻磁头也将会同时更换为“隧道磁阻磁头”。

在大多数金属中，电阻率的变化值为正，而过渡金属和类金属合金及饱和磁体的电阻率变化值为负。半导体有大的磁电阻各向异性。利用磁电阻效应，可以制成磁敏电阻元件，其常用材料有锑化铟、砷化铟等。磁敏电阻元件主要用来构造位移传感器、转速传感器、位置传感器和速度传感器等。为了提高灵敏度，增大阻值，可把磁敏电阻元件按一定形状例如直线或环形串联起来使用。在实际使用中，霍尼韦尔磁场传感器和磁力计具有很高的精确度，可以轻易的整合到几乎所有的应用环境中，应用环境包括电子罗盘、磁力计、位置传感－线性和角位置传感器、车辆检测解决方案、全球卫星导航定位GPS解决方案、车载信息服务系统。另外，霍尔效应也是磁场对电阻影响的典型效应。美国物理学家霍尔发现，如果对位于磁场中的导体施加一个电压，该磁场的方向垂直于所施加电压的方向，那么在既与磁场垂直又和所施加电流方向垂直的方向上会产生另一个电压，人们将这个电压叫做霍尔电压，产生这种现象被称为霍尔效应。更通俗地说，就是导体中有电流时，就有电荷载子在里面移动。而当导体内有磁场时，导体内的电荷载子运动就会受影响，这些电荷载子因此可能就会往某一边靠过去。导体的两侧，就会产生电压差。铁磁材料的霍尔效应通常由两部分构成，一般非磁金属材料的电阻应正比于外加磁场，称为一般霍尔效应。然而在铁磁金属材料中，其电阻还与材料的磁化强度有关，此项被称为反常霍尔效应。根据霍尔效应做成的霍尔器件，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。讫今为止，已在现代汽车上广泛应用的霍尔器件有：在分电器上作信号传感器、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、液体物理量检测器、各种用电负载的电流检测及工作状态诊断、发动机转速及曲轴角度传感器、各种开关，等等。霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量汽车各部件运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。霍尔器件输出量直接与电控单元接口，可实现自动检测。目前的霍尔器件都可承受一定的振动，可在零下40摄氏度到零上150摄氏度范围内工作，全部密封不受水油污染，完全能够适应汽车的恶劣工作环境。

由此可见，磁电阻效应有着大量广泛应用，并且根据市场调查，以此为基础的磁性传感器正在逐渐取代传统的机械开关器件而成为主流。然而现有的磁电阻测量仪都是只能够测量一个磁性薄膜磁电阻，且换装样品等操作都需要手动，效率低且不适合于工业化大规模测量的应用需求。

发明内容

针对现有技术中存在的手动测量薄膜磁电阻，导致效率低且不适合于工业化大规模测量的应用需求的问题，本实用新型的目的是提供一种磁电阻自动测量装置，能够快速高效的测量大量磁性材料芯片磁电阻。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种磁电阻自动测量装置，包括磁电阻测量单元、磁场发生单元、样品移动单元以及控制单元，所述控制单元通过数据采集卡分别与磁电阻测量单元、磁场发生单元、以及样品移动单元相连接；所述磁场发生单元水平设于待测磁电阻样品的外围，待测磁电阻样品上方的磁场发生单元设有开口；所述磁电阻测量单元设于磁场发生单元的上方，所述样品移动单元设于磁场发生单元的下方，并与磁场发生单元连接固定；其中，所述磁电阻测量单元接收控制单元的测量控制信号，并通过开口与待测磁电阻样品相连接。

所述磁场发生单元包括线圈、软磁衬底以及磁场交直流电压源，所述线圈设于软磁衬底的上方，并与软磁衬底相连接；所述软磁衬底设于样品移动单元的上方，并与样品移动单元连接固定；待测磁电阻样品设于软磁衬底上方，并且待测磁电阻样品位于线圈以及软磁衬底之间；所述磁场交直流电压源的一端与所述控制单元相连接，另一端与线圈相连接。

所述软磁衬底的材料为FeCo或单质金属。

所述磁电阻测量单元包括显微镜、四探针、锁相放大器、交直流电压表以及交直流电流电压源，所述四探针、显微镜依次设于待测磁电阻样品的上方；所述四探针通过电路板与交直流电流电压源构成测量回路；所述四探针还通过电路板与锁相放大器的一端相连接，锁相放大器的另一端与交直流电压表相连接；所述四探针还通过电路板与待测磁电阻样品相连接；所述控制单元分别与显微镜、四探针、交直流电压表以及交直流电流电压源相连接。

所述样品移动单元包括样品台控制箱以及移动样品台，所述控制单元通过样品台控制箱与移动样品台相连接；所述移动样品台设于磁场发生单元的下方。

与现有技术相比，采用本实用新型的一种磁电阻自动测量装置，包括磁电阻测量单元、磁场发生单元、样品移动单元以及控制单元，所述控制单元通过数据采集卡分别与磁电阻测量单元、磁场发生单元、以及样品移动单元相连；所述磁场发生单元水平设于待测磁电阻样品的外围，待测磁电阻样品上方的磁场发生单元设有开口；所述磁电阻测量单元设于磁场发生单元的上方，所述样品移动单元设于磁场发生单元的下方，并与磁场发生单元连接固定；其中，所述磁电阻测量单元接收控制单元的测量控制信号，并通过开口与待测磁电阻样品相连。首先，将待测磁电阻样品通过开口放入磁场发生单元内后，由控制单元发出测量控制信号，磁电阻测量单元接收测量控制信号后，与待测磁电阻样品中的任一磁电阻芯片相连接。然后，控制单元依据预设的待测磁电阻芯片所需的测量要求控制磁场发生单元产生相应的测量磁场；磁电阻测量单元依据待测磁电阻芯片所需的测量要求设置相应的电流信号，并将测量获得的电压信号发送至控制单元，由控制单元依据电流信号以及电压信号计算获得相应待测磁电阻芯片的磁电阻值；接着，依据预设在控制单元中待测磁电阻样品的磁电阻芯片坐标以及磁电阻芯片定位，由样品移动单元根据循环测试原则将后一个待测磁电阻芯片与磁电阻测量单元相连。

本实用新型的磁电阻自动测量装置能够快速准确高效的自动测量大批量磁性材料芯片磁电阻，一次可以测量上万个样品，摆脱了现有的磁电阻测量仪只能一个一个的手动换取样品测量薄膜磁电阻的弊端，平均最快每200ms就能完成一次测量，这样不但极大地提高了测量效率，还有利于迅速快捷的找到最好最适合的磁电阻材料，无论对科学研究或实际工业应用方面都有用途很大，是传统磁电阻测量仪无法比拟的，而且测量过程全部自动控制，利用控制单元直接分析数据，快速精准，方便有效，能够在不降低精度的条件下充分满足工业化需求。本实用新型的磁电阻自动测量装置不仅可以用于测量霍尔效应、反常霍尔效应、各向异性磁电阻AMR、巨磁电阻GMR及隧道磁电阻TMR等，而且也可以测量其它材料的普通电阻。

附图说明

图1是本实用新型的一种磁电阻自动测量装置的原理示意图；

图2是采用四探针法测电阻的原理示意图；

图3是通电螺线管的磁场示意图；

图4是通电线圈、待测样品和软磁衬底的放置关系图；

图5是图4中软磁衬底的镜像电（磁）荷产生的电(磁)场的示意图；

图6是有无软磁衬底时磁场-电流关系对比图，其中：26为有软磁衬底时线圈感应磁场与所通电流的关系，27为无软磁衬底时线圈磁场与所通电流的关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

请参阅图1所示：本实用新型提供的一种磁电阻自动测量装置，包括磁电阻测量单元、磁场发生单元、样品移动单元以及控制单元，控制单元通过数据采集卡分别与磁电阻测量单元、磁场发生单元、以及样品移动单元相连。磁场发生单元水平设于待测磁电阻样品的外围，待测磁电阻样品上方的磁场发生单元设有开口。磁电阻测量单元设于磁场发生单元的上方，样品移动单元设于磁场发生单元的下方，并与磁场发生单元连接固定。其中，磁电阻测量单元接收控制单元的测量控制信号，并通过开口与待测磁电阻样品相连。控制单元是一台计算机13，样品移动单元包括样品台控制箱12以及移动样品台7，计算机13通过样品台控制箱12与移动样品台7相连，移动样品台7设于磁场发生单元的下方。移动样品台7在水平范围内可以移动160mm²，移动单位步长 0.001mm，移动速度典型值是200ms。磁场发生单元包括线圈5、软磁衬底6以及磁场交直流电压源11，线圈5设于软磁衬底6的上方并与软磁衬底6相连。软磁衬底6设于移动样品台7的上方，并与移动样品台7连接固定。磁场交直流电压源11的一端与移动样品台7相连，另一端与线圈5相连。磁场交直流电压源11的电压最大值约为20V，其输出电阻典型为50Ω-1MΩ，其频率典型值1μHz-50MHz，典型可用产品为Keithley 3390。线圈5的典型尺寸：内径为23mm，外径为100mm，厚度为3mm。线圈5的磁场为200Oe。软磁衬底6的矫顽力小于200Oe。软磁衬底6的材料为FeCo或单质金属。磁电阻测量单元包括显微镜1、四探针3、锁相放大器8、交直流电压表10以及交直流电流电压源9，四探针3、显微镜1依次设于待测磁电阻样品4的上方；四探针3通过电路板（图中未示出）与交直流电流电压10源构成测量回路。四探针3还通过电路板与锁相放大器8的一端相连，锁相放大器8的另一端与交直流电压表10相连。四探针3还通过电路板与待测磁电阻样品4相连。计算机13分别与显微镜1、四探针3、交直流电压表10以及交直流电流电压源9相连。交直流电压表10的输入电阻典型值大于10¹⁴Ω，频率范围是1Hz-2MHz，测量精度100nV，其典型可用产品是Keithley 2001。交直流电流电压源9的电流范围典型值为1fA-1.5A，其典型可选产品为Keithley 2636A和Keithley 2400。

在停机状态时，四探针3和显微镜1的镜头2悬置在比待测磁电阻样品4测试面更高的位置。准备测量工作时，将待测磁电阻样品4放在线圈5和软磁衬底6之间，点击计算机13的自动定位控件使显微镜1及四探针3同时下降，并在计算机13观看镜头2的观察结果，当下降至镜头2能清楚观测到待测磁电阻样品4的形状的位置时，停止下降。以后再单独自动下降四探针3，并调整其位置，让其正好接触到待测磁电阻样品4需要接触的表面，由于探针里边都是内置有弹性的小弹簧，所以与待测磁电阻样品4中的任一待测磁电阻芯片接触后，由于误差不准确带来的的少量的探针上下移动不会损害待测磁电阻样品4。然后通电开始正式测量。在测量过程中，计算机3一方面自动控制交直流电流电压源9给待测磁电阻芯片以及四探针通入电流、同时计算机3还控制磁场交直流电压源11给线圈5供电，根据所测磁电阻性质的不同，提供不同的磁场。当通过线圈5的电流不同，使得线圈5中的电流变化时，线圈5所感应出的磁场就不同。样品的磁电阻也会对之产生变化。该变化可以通过交直流电流电压源9交直流电压表10测得并通过数据采集卡将数据采集到计算机3上，计算出所测电阻。通过在计算机3内输入不同的坐标位置或设定坐标变化的程序，样品台控制箱12按照设计好的步长程序控制移动样品台7通过第一次定位的相对位移，精确移动到其他待测磁电阻芯片上，并测量该处磁电阻。在此过程中，不需要每次观察校准弹筝与待测磁电阻样品4的接触状况。如此测量完成后，升起显微镜1的镜头2和四探针3，将待测磁电阻样品4取出即可。如果计算机13不能正常使用或怀疑计算机13不够准确时，可以通过手动来调节显微镜1的镜头2。本实用新型的磁电阻自动测量装置测量一个芯片的磁电阻回线最快只需要200ms，方便快捷，尤其适用于大批量工业化芯片的测量。本实用新型的磁电阻自动测量装置，其电阻测量范围是1μΩ-1MΩ，相对误差的精度等级可至10E^-6；MR最小可达0.001%，最大无上限；工作温度范围为-45oC-125oC，一次可以测量20万个芯片。

以下具体说明本实用新型主要利用的原理：

1、四探针法 

四探针法通常是用来测量半导体的电阻率。四探针法测量电阻率有个非常大的优点，它不需要较准，有时用其它方法测量电阻率时还用四探针法较准。 

如图2所示，测试时四根金属探针17与样品16表面接触，其中，金属探针17的外侧两根为通电流探针，内侧两根为测电压探针。由电流源14输入小电流使样品16内部产生压降，同时用高阻抗的静电计、电子毫伏计或数字电压表15测出其他二根探针的电压。

四探针法的还有一个优点是探针与半导体样品之间不要求制备合金结电极，这给测量带来了方便。四探针法可以测量样品沿径向分布的断面电阻率，从而可以观察电阻率的不均匀情况。由于这种方法可迅速、方便、无破坏地测量任意形状的样品且精度较高，适合于大批生产中使用。

2、通过软磁衬底增大测量磁场

在用通电线圈提供磁场时，我们在线圈下边放置了一软磁衬底即软磁层，在测量时把待测样品置于线圈与软磁层之间，以增大在样品上产生的磁场。

一般情况下，磁场提供有两种方式，一种是永磁体，诸如磁铁等，另一种就是通电螺线管，但是永磁体提供的磁场是固定的，要想获得随具体要求变化的磁场，只能用通电螺线管。在本实用新型中，由于需要不同大小的不断变化的磁场，所以我们也选择了通电螺线管。通电螺线管的原理如图3所示，其中18为电流/压源， 19为探测用小磁铁（磁偶极子），20为通电螺线管，21为磁感线。当电流源18产生的电流通过螺线管20时，会产生类似于条形磁铁的磁场。通电螺线管外部的磁感线21是从螺线管的北极发出并回到南极，通电螺线管内部的磁场方向是从螺线管的南极指向北极。通电螺线管中电流的方向与螺线管两端极性的关系可以用右手定则也叫安培定则来判定：即1)通电直导线中的安培定则：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向； 2)通电螺线管中的安培定则：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。左手反之。

由于在很多情况下，诸如测量反常霍尔效应时，需要产生不断变化的磁场，所以该磁场只能通过通电线圈产生，但是纯粹由线圈提供的磁场太小，一般利用在线圈内部加铁磁性物质可以提高线圈产生的磁场，但是该方法拥有磁滞效应，在测量材料霍尔系数还是霍尔器件工作，这是不允许的。不仅如此，产生磁场的线圈的几何体积也不能太大，当线圈太大时，由于其电阻较大，电流的热效应会非常显著，如图4所示，其中22为通电线圈，23为线圈中心，24为待测样品，25为软磁衬底。用内径为23mm、外径为100mm和厚度为3mm的Cu导线绕成的线圈22产生磁场时，当通以1A电流以产生200Oe的磁场时，在普通空气环境中，其温度会上升至80摄氏度左右，这不仅影响正常的测量工作，还对材料本身性质有很大影响，因为很多磁性材料如霍尔材料等对温度有很大的敏感性，所以热效应的影响是巨大的且必须要予以排出的。虽然在线圈上加散热片等可以缓解热效应，但是又会大大增加其所占空间且代价昂贵，所以不宜采取。基于传统磁场源提供方式的诸多不足和缺陷，本实用新型中提出了新的方式，如图4所示，就是在线圈22下方放置一普通软磁薄膜层即软磁衬底25，将待测样品24置于线圈22与软磁衬底25之间，此时，如图5所示，软磁薄膜层即软磁衬底25就好像一面镜子，会反射通电线圈所产生的磁场，这样如果通以相同大小的电流，所产生磁场可以增大约2倍。这是因为通电螺线管就相当于一个小磁铁，我们也可以把它看作是一个磁偶极子，对于电磁学，磁荷观点和磁偶极子观点是完全等效的，所以，通电螺线管的磁效应，可以看作是两个磁荷。当在线圈下方放置一软磁薄膜层时，等效磁荷在上方产生的磁效应，就相当于在与软磁层为对称面的对称位置上的镜像磁荷与原磁荷共同产生磁场的合效应，很明显，原来每个磁荷产生的磁场在软磁层上方，由于软磁层的类似镜面反射效果，就相当于2个磁荷产生的磁场，即磁场可增大至将近2倍。在图4所示的由内径为23mm、外径为100mm和厚度为3mm的Cu导线绕成的线圈产生的磁场时，如果在线圈下方放置一磁导率约为800H/m的FeCo软磁薄膜层，则在相同电流下，磁场会增大至原来的1.9倍左右，如图6所示。如果软磁层的磁导率更大，则镜面效果更好，则产生的磁场就越大。

综上所述，在本实用新型中如要产生与原来相同大小的磁场，通入电流可以减小为普通方式的一半，这样产生的热效应会也减小为原来的1/4，而且不会产生磁滞，即当电流为零时磁场亦刚好为零。在本实用新型中，软磁层就相当于一面镜子反射着通电螺线管的磁场，所以不用做的很厚，只需薄薄一层即可，这样就不会占用太大空间。本实用新型提出的磁场提供方式，不但使产生的磁场加倍，而且以平方关系减小了热效应，能够方便的控制所产生的磁场大小且无磁滞，占体积小，便于实用，是对此类经典磁场源极大地的优化和改进。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种磁电阻自动测量装置，其特征在于：包括磁电阻测量单元、磁场发生单元、样品移动单元以及控制单元，所述控制单元通过数据采集卡分别与磁电阻测量单元、磁场发生单元、以及样品移动单元相连接；所述磁场发生单元水平设于待测磁电阻样品的外围，待测磁电阻样品上方的磁场发生单元设有开口；所述磁电阻测量单元设于磁场发生单元的上方，所述样品移动单元设于磁场发生单元的下方，并与磁场发生单元连接固定；其中，所述磁电阻测量单元接收控制单元的测量控制信号，并通过开口与待测磁电阻样品相连接。

2.根据权利要求1所述的磁电阻自动测量装置，其特征在于：所述磁场发生单元包括线圈、软磁衬底以及磁场交直流电压源，所述线圈设于软磁衬底的上方，并与软磁衬底相连接；所述软磁衬底设于样品移动单元的上方，并与样品移动单元连接固定；待测磁电阻样品设于软磁衬底上方，并且待测磁电阻样品位于线圈以及软磁衬底之间；所述磁场交直流电压源的一端与所述控制单元相连接，另一端与线圈相连接。

3.根据权利要求2所述的磁电阻自动测量装置，其特征在于：所述软磁衬底的材料为FeCo或单质金属。

4.根据权利要求1所述的磁电阻自动测量装置，其特征在于：所述磁电阻测量单元包括显微镜、四探针、锁相放大器、交直流电压表以及交直流电流电压源，所述四探针、显微镜依次设于待测磁电阻样品的上方；所述四探针通过电路板与交直流电流电压源构成测量回路；所述四探针还通过电路板与锁相放大器的一端相连接，锁相放大器的另一端与交直流电压表相连接；所述四探针还通过电路板与待测磁电阻样品相连接；所述控制单元分别与显微镜、四探针、交直流电压表以及交直流电流电压源相连接。

5.根据权利要求1所述的磁电阻自动测量装置，其特征在于：所述样品移动单元包括样品台控制箱以及移动样品台，所述控制单元通过样品台控制箱与移动样品台相连接；所述移动样品台设于磁场发生单元的下方。

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