Characteristic Analysis and Design of Magnetoresistive Sensors Based on Shape Anisotropy

Abstract

본 연구는 NiFe 박막에 기반한 자기저항 센서에서 형상 이방성이 자화 거동 및 신호 특성에 미치는 영향을 체계적으로 조사했다. 다양한 직사각형 모양의 소자로 구성된 센서의 자기 도메인 관찰 결과, 가장자리 영역은 중심 영역보다 이전 자화를 더 강하게 유지하는 경향을 보여, 국소적인 비일관 자화가 발생함을 확인했다. 형상 이방성이 강한 박막에서는 가장자리 근처에 국부적인 자화가 집중된 반면, 형상 이방성이 약한 박막에서는 보다 균일한 자화 분포가 관찰되었다. 센서 신호 측정 결과, 형상 이방성은 신호의 선형성과 출력에 뚜렷한 영향을 미쳤다. 형상 이방성이 강하고, 외부 자기장 강도가 약할수록 히스테리시스가 증가하고 출력이 감소하였으며, 특히 피크투피크 전압은 41%까지 감소했다. 반대로, 형상 이방성이 약한 박막을 사용하고 외부 자기장 강도가 강할 때 안정적인 센서 동작이 가능함을 확인했다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구는 형상 이방성과 자기 어닐링을 통합한 새로운 다축 센서 제조 공정인 형상 어닐링을 제안한다. 이 방법은 박막의 형상 이방성을 이용하여 단일 공정 으로 교환 바이어스를 여러 방향으로 형성할 수 있게 하여, 기존의 복잡한 다단계 공정을 간소화한다. 또한, 짧은 시간의 어닐링을 통해 이방성을 정밀하게 제어함으로써, 공정 시간과 에너지 소비를 줄이면서도 안정적인 다축 자기저항 센서를 제작할 수 있다. 형상 어닐링 공정으로 제작된 이축 센서는 각 축 방향의 자기장에 대해 선형적인 응답 특성을 나타냈으며, 노이즈 스펙트럼 밀도 분석 및 평면 내 자기장 측정을 통해 고정밀 방향 감지 능력이 입증되었다. 이러한 결과는 박막의 형상과 외부 자기장 간 상호작용의 최적화가 센서 성능을 결정하는데 핵심 요소임을 강조하며, 기하학 기반 센서 설계 전략이 자기 센서 기술 발전에 효과적으로 기여할 수 있음을 보여준다.|This study systematically investigates the influence of shape anisotropy on the magnetization behavior and signal characteristics of magnetoresistive sensors based on NiFe thin films. Magnetic domain observations of sensors consisting of rectangular elements with varying shapes revealed that the edge regions retained their previous magnetization more strongly than the central regions, leading to local incoherent magnetization. In thin films exhibiting strong shape anisotropy, local magnetization was concentrated near the edges, whereas thin films with weaker shape anisotropy showed more uniform magnetization distributions. Sensor signal measurements revealed that shape anisotropy had a pronounced effect on both signal linearity and output. Strong shape anisotropy, combined with a weaker external magnetic field strength, resulted in increased hysteresis and reduced output, with the peak-to-peak voltage decreasing by up to 41%. In contrast, stable sensor operation was achieved when using thin films with weaker shape anisotropy and applying stronger magnetic fields. Based on these results, this study proposes a novel multiaxial sensor fabrication method, termed shape annealing, which integrates shape anisotropy with magnetic annealing. This approach enables the definition of exchange bias in multiple directions within a single fabrication step by utilizing the shape anisotropy of magnetic thin films, thereby simplifying conventional multi-step processes. In addition, precise control of anisotropy through short-duration annealing reduces both processing time and energy consumption, resulting in stable multiaxial sensor performance. Dual-axis sensors fabricated using the shape annealing process exhibited linear responses to magnetic fields applied along each axis. Their high-precision directional sensing capability was confirmed through noise spectral density analysis and in-plane magnetic field measurements. These results highlight that optimizing the interaction between the shape of thin films and external magnetic fields is a critical factor in determining sensor performance and demonstrate that a geometry-driven sensor design strategy can effectively contribute to the advancement of magnetic sensor technologies.