Fluxgate-Type Operation of Exchange-Biased Planar Hall Multiring Sensors toward Sub-nT Magnetic Field Resolution

Abstract

This dissertation develops a fluxgate-type second-harmonic readout method for exchange-biased planar Hall magnetoresistive sensors. The sensing stack is Ta（5 nm）/NiFe（10 nm）/Cu（x）/IrMn（10 nm）/Ta（5 nm）, where x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, and 1.00 nm. The Cu spacer thickness is used as a structural control parameter to tune the NiFe/IrMn interfacial exchange coupling, and therefore the exchange-bias field, coercivity, and effective rotation field. A sinusoidal modulation field is applied to the PHMR sensor, and the second-harmonic voltage is detected using a lock-in amplifier. This readout mode shifts the measurement away from the dc baseline, suppresses slow offset drift, and makes the output dependent on the nonlinear curvature of the PHMR transfer curve. The optimized Cu = 1.0 nm device shows the strongest direct PHMR response and fluxgate-type 2f response because reduced exchange pinning allows easier magnetization rotation under weak transverse magnetic fields. A normalized sensitivity framework is introduced to compare direct PHMR and fluxgate-type readout on the same basis. The direct mode is normalized by the electrical bias voltage, while the fluxgate-type mode is normalized by an equivalent excitation voltage that combines the electrical bias and modulation drive. Under an optimized modulation condition of 𝜇0H0= 1.5 mT RMS at 𝑓𝑚𝑜𝑑 = 113.3 Hz, the Cu = 1.0 nm device reaches normalized sensitivities of approximately 1.37 T⁻¹ in direct PHMR mode and 2.60 T⁻¹ in fluxgate-type 2f mode. A modulation-matching factor, η is also introduced to explain why the optimum occurs when the modulation amplitude is close to the intrinsic curvature scale of the sensor. Noise, detectivity, temperature, and step-field measurements verify the practical benefit of the fluxgate- type readout. Compared with direct PHMR readout, the fluxgate-type mode lowers the output noise spectral density and improves the field-equivalent detectivity to approximately 100 pT/√Hz at 1 Hz under the optimized condition. Temperature measurements between 300 and 400 K show that harmonic detection suppresses the dc- offset drift that affects direct readout, while the offset-corrected field response of both modes remains closely related to the magnetic behavior of the sensing stack. Reference-field step measurements confirm distinguishable response to nanotesla-scale magnetic-field changes. These results establish exchange-biased PHMR multiring sensors as a compact, planar, core-free platform for fluxgate-type weak-field sensing, with future potential for integrated on-chip modulation coils and harsh-environment magnetic sensing applications.

Keywords: Planar Hall magnetoresistance, fluxgate-type readout, exchange bias, Cu spacer, second-harmonic detection|본 논문은 교환 바이어스가 부여된 평면 홀 자기저항（planar Hall magnetoresistive, PHMR） 센서를 위한 플럭스게이트형 2차 고조파 판독 방법을 개발하였다. 센서 적층 구조는 Ta（5 nm）/NiFe（10 nm）/Cu（x）/IrMn（10 nm）/Ta（5 nm）이며, Cu 스페이서 두께 x는 0, 0.25, 0.50, 0.75 및 1.00 nm로 조절하였다. Cu 스페이서 두께는 NiFe/IrMn 계면 교환 결합을 조절하는 구조적 제어 변수로 사용되었으며, 이를 통해 교환 바이어스장, 보자력 및 유효 회전장을 변화시켰다. PHMR 센서에 정현파 변조 자기장을 인가하고, 락인 증폭기를 이용하여 2차 고조파 전압을 검출하였다. 이 판독 방식은 측정 신호를 직류 기준선에서 분리하고, 느린 오프셋 드리프트를 억제하며, PHMR 전달 곡선의 비선형 곡률에 기반한 출력을 이용한다.

최적화된 Cu = 1.0 nm 소자는 교환 고정 효과가 약해져 약한 횡방향 자기장에 대해 자화가 더 쉽게 회전하므로, 직접 PHMR 응답과 플럭스게이트형 2f 응답에서 가장 강한 출력을 보였다. 직접 PHMR 판독과 플럭스게이트형 판독을 동일한 기준에서 비교하기 위해 정규화 감도 분석 방법을 도입하였다. 직접 모드는 전기적 바이어스 전압으로 정규화하였고, 플럭스게이트형 2f 모드는 전기적 바이어스와 변조 구동을 함께 고려한 등가 여기 전압으로 정규화하였다. 최적 변조 조건인 μ0H0 = 1.5 mT RMS 및 fmod = 113.3 Hz에서 Cu = 1.0 nm 소자는 직접 PHMR 모드에서 약 1.37 T⁻¹, 플럭스게이트형 2f 모드에서 약 2.60 T⁻¹의 정규화 감도를 나타냈다. 또한 변조 자기장 세기가 센서의 고유 곡률 스케일과 잘 맞을 때 최적 응답이 나타남을 설명하기 위해 변조 정합 인자 η를 도입하였다.

잡음, 검출능, 온도 안정성 및 기준 자기장 계단 응답 측정을 통해 플럭스게이트형 판독 방식의 실용적 장점을 확인하였다. 직접 PHMR 판독과 비교했을 때, 플럭스게이트형 2f 판독은 출력 잡음 스펙트럼 밀도를 낮추고, 최적 조건에서 1 Hz 기준 약 100 pT/√Hz의 자기장 등가 검출능을 달성하였다. 300–400 K 범위의 온도 측정에서는 2f 고조파 검출이 직접 판독에서 나타나는 직류 오프셋 드리프트를 억제함을 확인하였다. 또한 오프셋 보정 후 두 판독 모드의 자기장 응답은 센서 적층 구조의 자기적 거동과 밀접하게 관련되어 있음을 보였다. 기준 자기장 계단 응답 측정에서는 나노테슬라 수준의 자기장 변화를 구별할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 교환 바이어스 PHMR 다중 링 센서가 소형, 평면형, 코어 없는 플럭스게이트형 약자기장 센서 플랫폼으로 활용될 수 있음을 보여주며, 향후 온칩 변조 코일 집적 및 극한 환경 자기장 센싱 응용으로 확장될 가능성을 제시한다.