Luận án chế tạo và ứng dụng van xoay từ trở khổng lồ GMR của ĐH KH&CN Quốc lập Cao Hùng

Nghiên cứu quy trình chế tạo và ứng dụng thực tiễn của van xoay từ điện trở khổng lồ GMR. Tổng hợp kỹ thuật vi chế tạo và cảm biến từ học tiên tiến.

• Tác giả: Xuan Thang Trinh
• Người hướng dẫn: GS. Jen-Tzong Jeng
• Trường học: Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Cao Hùng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
• Đề tài: Fabrication and Application of Giant Magnetoresistance Spin-Valve
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Cao Hùng

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu van xoay khổng lồ GMR tại NKUST

Nghiên cứu chế tạo van xoay khổng lồ GMR được thực hiện tại Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Cao Hùng vào tháng 1 năm 2019. Luận án tiến sĩ của tác giả Trịnh Xuân Thắng tập trung phát triển các linh kiện cảm biến từ trở khổng lồ tiên tiến. Thiết bị này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi định hướng từ tính giữa hai lớp sắt từ biến đổi. Cấu trúc van xoay bao gồm lớp tự do và lớp ghim từ tính ngăn cách bởi lớp đồng phi từ. Khi từ trường ngoài tác động, hướng từ hóa của lớp tự do xoay chuyển dẫn đến biến thiên điện trở suất. Nghiên cứu đã tối ưu hóa thông số màng mỏng để nâng cao độ nhạy cảm ứng. Công nghệ này khắc phục nhiều hạn chế vật lý của các dòng cảm biến từ trở dị hướng truyền thống trước đây. Kết quả thực nghiệm mở ra tiềm năng lớn cho các thiết bị đo lường chính xác cao. Đề tài kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng điện từ học và quy trình vi chế tạo bán dẫn hiện đại. Toàn bộ thiết kế hướng tới khả năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo máy.

1.1. Bối cảnh học thuật và nguồn gốc đề tài

Đề tài được bảo vệ tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí thuộc Đại học Quốc gia Cao Hùng (NKUST). Công trình nhận sự hướng dẫn trực tiếp từ Giáo sư Jen-Tzong Jeng và Giáo sư Jen-Hwa Hsu. Giai đoạn 2018-2019 ghi nhận sự đổi tên chính thức của trường tại Đài Loan. Trong bối cảnh vi điện tử phát triển, nhu cầu về cảm biến từ trường độ nhạy cao ngày càng gia tăng. Cảm biến GMR thể hiện ưu điểm vượt trội về kích thước nhỏ gọn cùng mức tiêu thụ điện năng thấp. Đề tài đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc thiết kế linh kiện từ tính chất lượng cao. Các tiêu chuẩn chế tạo bán dẫn nghiêm ngặt đã được áp dụng trong toàn bộ nghiên cứu.

1.2. Nguyên lý cơ bản của cấu trúc van xoay GMR

Hiệu ứng từ trở khổng lồ được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1988 trên các màng mỏng kim loại đa lớp. Hiện tượng này mô tả sự thay đổi đáng kể của điện trở dưới tác động của từ trường ngoài. Cấu trúc van xoay là bước cải tiến mang tính đột phá so với màng đa lớp truyền thống. Cơ chế bao gồm một lớp sắt từ tự do xoay chuyển và một lớp sắt từ bị ghim cố định hướng từ tính. Khi hai lớp có cùng chiều từ hóa, điện tử tán xạ ít hơn và điện trở đạt mức cực tiểu. Ngược lại, chiều từ hóa đối song song gây ra tán xạ spin mạnh làm điện trở tăng vọt. Sự chênh lệch tỷ số từ trở tạo nên tín hiệu điện áp tuyến tính rõ ràng.

II. Thách thức chế tạo cảm biến van xoay khổng lồ GMR chính xác

Quá trình chế tạo cảm biến van xoay khổng lồ GMR đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp. Độ nhạy và độ ổn định nhiệt phụ thuộc trực tiếp vào độ hoàn thiện của từng lớp nguyên tử. Việc kiểm soát độ dày lớp đệm đồng phi từ ở thang đo nanomet đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối. Nếu lớp đệm quá mỏng, tương tác ghép đôi sắt từ trực tiếp sẽ xuất hiện và làm triệt tiêu hiệu ứng van xoay. Ngược lại, lớp đồng quá dày làm gia tăng sự tán xạ điện tử trung gian, khiến tỷ số từ trở suy giảm nghiêm trọng. Bên cạnh đó, hiện tượng ghép đôi từ tĩnh giữa các lớp màng cũng gây biến dạng đường cong từ trở. Sự bất đối xứng trong đáp ứng từ trường cản trở việc xác định chính xác phương hướng tín hiệu. Ngoài ra, việc tích hợp cảm biến phẳng vào hệ thống đo ba chiều gặp trở ngại lớn do tính dị hướng mặt phẳng. Các thành phần từ trường trục thẳng đứng thường có độ nhạy rất thấp nếu không có cấu trúc dẫn từ đặc biệt. Do đó, bài toán đặt ra là phải tối ưu hóa cả cấu trúc lớp lẫn hình học linh kiện.

2.1. Ảnh hưởng của chiều dày lớp đệm kim loại phi từ

Chiều dày của lớp đệm đồng phi từ giữ vai trò then chốt trong hoạt động của cảm biến. Lớp đệm này phân tách lớp sắt từ tự do NiFe/Co và lớp ghim CoFe. Nếu lớp đồng mỏng hơn 2.0 nm, hiện tượng ghép đôi trao đổi trực tiếp kiểu sắt từ sẽ chiếm ưu thế. Khi đó, hai lớp sắt từ bị khóa cứng chiều từ hóa và làm mất hiệu ứng đảo spin. Ngược lại, khi độ dày vượt quá 3.5 nm, xác suất tán xạ điện tử không bảo toàn spin tăng cao. Tỷ số từ trở sẽ giảm liên tục theo độ dày tăng thêm. Kết quả khảo sát tại NKUST xác định giá trị độ dày tối ưu là 2.8 nm. Mức thông số này cân bằng hoàn hảo giữa khả năng tách rời từ tính và độ truyền dẫn spin.

2.2. Vấn đề bẻ cong từ thông trong định hướng ba trục

Cảm biến GMR thông thường chỉ nhạy với từ trường song song với bề mặt màng mỏng. Việc đo lường từ trường ba chiều đòi hỏi giải pháp bẻ cong từ thông không gian. Một cấu trúc tập trung từ thông bằng vật liệu NiFe được bố trí ở tâm linh kiện. Cấu trúc này làm biến dạng đường sức từ trường vuông góc thành các thành phần nằm ngang. Tuy nhiên, hiệu ứng hội tụ gây ra sự sai lệch góc cảm ứng hiệu dụng giữa các trục. Góc hình học 120 độ giữa ba cảm biến phẳng bị biến đổi sau tương tác từ. Các trục cảm ứng hiệu dụng không còn giữ tính trực giao tự nhiên ban đầu. Tình trạng này tạo ra sai số góc nghiêm trọng trong các hệ thống la bàn điện tử.

III. Quy trình chế tạo van xoay khổng lồ GMR đa lớp tại NKUST

Nghiên cứu áp dụng quy trình vi chế tạo đa tầng nghiêm ngặt trong phòng sạch tại NKUST. Màng mỏng van xoay được lắng đọng bằng hệ thống phun xạ catot nam châm một chiều hiện đại. Phiến silic phủ lớp oxit silicon cách điện được sử dụng làm đế nền cơ bản. Cấu trúc lắng đọng nhiều lớp bao gồm Ta (5nm), NiFe (3nm), Co (0.5nm), Cu (2.8nm), CoFe (2.5nm), IrMn (10nm) và màng phủ bảo vệ Ta (2nm). Lớp phản sắt từ IrMn tạo trường dị hướng trao đổi mạnh mẽ để cố định lớp CoFe. Quá trình quang khắc kết hợp kỹ thuật bóc tách tạo hình cảm biến thành dải kích thước 3 nhân 100 micromet. Khối tập trung từ thông bằng hợp kim permalloy NiFe được chế tạo ở lớp trên cùng. Đặc tính truyền dẫn và đường cong trễ từ được kiểm tra bằng thiết bị đo từ kế mẫu rung VSM. Thiết bị đạt tỷ số từ trở tối đa khoảng 8% với độ nhạy tuyến tính rất cao. Quy trình này đảm bảo tính lặp lại tốt và độ đồng đều cao trên toàn diện tích đế phiến.

3.1. Kỹ thuật lắng đọng màng mỏng đa lớp và bóc tách

Phương pháp phun xạ catot nam châm một chiều kiểm soát chính xác tốc độ lắng đọng từng lớp vật liệu. Đế silic được làm sạch kỹ lưỡng để loại bỏ tạp chất bề mặt trước khi đưa vào buồng chân không cao. Lớp đệm tantal dày 5 nm đóng vai trò làm phẳng và cải thiện độ bám dính tinh thể. Kế tiếp, các lớp NiFe, Co, Cu, CoFe và IrMn được tạo màng tuần tự trong cùng một chu trình áp suất. Kỹ thuật bóc tách quang khắc định hình phần tử nhạy từ thành vi cấu trúc 3 nhân 100 micromet sắc nét. Phương pháp này giảm thiểu tối đa tổn hại vật lý tại các mép biên của màng mỏng. Nhờ vậy, cảm biến duy trì được độ bền từ học xuất sắc sau khi hoàn tất gia công.

3.2. Hiệu chuẩn trực giao và mô phỏng điện từ trường

Mô phỏng điện từ trường được triển khai để giải quyết hiện tượng lệch trục cảm ứng do bộ dẫn từ gây ra. Ba cảm biến phẳng bố trí lệch nhau góc 120 độ quanh một lõi dẫn từ tập trung chung. Phần mềm mô phỏng phân tích chính xác hệ số khuếch đại từ thông ngang Gh và từ thông đứng Gv. Dựa trên dữ liệu mô phỏng, thuật toán biến đổi tuyến tính được thiết lập nhằm hiệu chỉnh tín hiệu đo đạc. Thuật toán này khôi phục thành công tính trực giao giữa các trục tọa độ không gian X, Y và Z. Nhờ đó, sai số định hướng được triệt tiêu hoàn toàn mà không cần thay đổi phức tạp cấu trúc cơ khí. Tín hiệu đầu ra sau xử lý thể hiện độ tin cậy và độ nhạy vượt trội.

IV. Các ứng dụng thực tiễn của van xoay khổng lồ GMR năm 2019

Linh kiện van xoay khổng lồ GMR chế tạo thành công đã chứng minh hiệu năng cao qua ba ứng dụng công nghiệp then chốt. Thứ nhất, hệ thống từ kế ba trục đồng phẳng được tích hợp làm la bàn điện tử có độ chính xác góc vượt trội. Thiết kế dùng chung một bộ dẫn từ duy nhất giúp tối giản kích thước và hạ giá thành bao gói linh kiện. Thứ hai, cảm biến được ứng dụng trong hệ thống theo dõi vị trí không gian ba chiều bằng từ trường gradient kích thích sóng sin 1 kHz. Thiết bị tách pha nhạy cảm PSD phân tích tín hiệu đồng pha Bi và vuông pha Bq để định vị tọa độ thời gian thực. Giao diện điều khiển đồ họa LabVIEW hiển thị trực quan quỹ đạo di chuyển của đối tượng trong không gian. Thứ ba, cảm biến GMR được cải tiến thành đầu dò dòng điện xoáy phục vụ kiểm tra khuyết tật không phá hủy. Cường độ vi sai chỉ thị vị trí nứt gãy và độ lệch pha cho biết độ sâu khuyết tật kim loại.

4.1. Hệ thống theo dõi vị trí dựa trên trường gradient

Hệ thống theo dõi vị trí không gian sử dụng cuộn dây phát tạo từ trường biến thiên tần số 1 kHz. Cảm biến GMR đo đạc thành phần trục Z của từ trường gradient trong vùng hoạt động. Tín hiệu điện thế thu nhận được đưa vào bộ khuếch đại tách pha khóa pha PSD chuyên dụng. Thiết bị trích xuất hai thành phần tín hiệu gồm thành phần đồng pha Bi và thành phần vuông pha Bq. Tỷ lệ biên độ giữa hai thành phần phản ánh chính xác vị trí không gian của cảm biến. Thuật toán xử lý số chuyển đổi dữ liệu thành tọa độ decac hiển thị trực tiếp trên phần mềm máy tính LabVIEW. Hệ thống đạt độ chính xác mili-mét và khả năng đáp ứng tức thì không có độ trễ lớn.

4.2. Đầu dò dòng xoáy kiểm tra khuyết tật không phá hủy

Cảm biến van xoay GMR mở ra hướng đi đột phá trong phương pháp kiểm tra không phá hủy vật liệu. Khi cuộn kích thích tạo dòng điện xoáy trong mẫu kim loại thử nghiệm, khuyết tật sẽ làm biến dạng dòng điện. Đầu dò GMR ghi nhận tín hiệu từ trường thứ cấp phản hồi từ vết nứt. Tín hiệu vi sai từ trường đạt cực đại tại vị trí mép biên của khuyết tật cấu trúc. Đồng thời, độ lệch pha của tín hiệu vi sai cung cấp thông tin định lượng về chiều sâu vết nứt dưới bề mặt. Phương pháp này nhạy bén hơn nhiều so với các cuộn dò cảm ứng điện từ truyền thống ở dải tần thấp. Kỹ thuật này nâng cao năng lực phát hiện hư hại ngầm trên kết cấu nhôm và thép hợp kim.

Trích đoạn nội dung tài liệu

國 立 高 雄 科 技 大 學 機械工程系博士班 博士論文 巨磁阻自旋閥的製作與應用 Fabrication and Application of Giant Magnetoresistance Spin-Valve 研究生 ：鄭春勝 指導教授 ：鄭振宗 教授 許仁華 教授 中華民國 108 年 1 月 巨磁阻自旋閥的製作與應用 Fabrication and Application of Giant Magnetoresistance Spin-Valve 研究生：鄭春勝 指導教授：鄭振宗 教授 許仁華 教授 國立高雄科技大學 機械工程系博士班 博士論文 A Thesis Submitted to Department of Mechanical Engineering National Kaohsiung University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctoral of Philosophy in Mechanical Engineering Jan 2019 Kaohsiung, Taiwan, Republic of China ＊National Kaohsiung University of Applied Sciences is the predecessor of National Kaohsiung University of Science and Technology (renamed on Feb. 1, 2018) 中華民國 108 年 1 月 巨磁阻自旋閥的製作與應用 學生：鄭春勝 指導教授：鄭振宗 博士 許仁華 博士 國立高雄科技大學機械工程所博士班 摘 要 關鍵字：磁傳感器，GMR 傳感器，自旋閥，三軸磁力計，電子羅盤，位置 跟踪，渦流探頭。 本研究製作了巨磁阻（GMR）自旋閥裝置，並對其在三軸磁力計，渦流探 頭和位置跟踪中的性能進行了分析。通過使用直流磁控濺射沉積自旋閥 GMR 膜以形成多層結構。本工作中使用的自旋閥結構為 Si / SiO2 | Ta（5nm）| NiFe（3nm）| Co（0.5nm）| Cu（x nm）| CoFe（2.5nm）| IrMn（10nm）| Ta（ 2nm），Cu 層厚度 x = 2.8 nm。GMR 自旋閥傳感器係採用掀 離製程將圖案化為 3×100 μm 的磁場敏感元件，頂部的磁通匯聚器層是由 NiFe 材料製成。透過磁阻和 VSM 曲線量測驗證了 GMR 薄膜的傳輸特性，數據 顯示可達成的最大磁阻比約為 8％。三維磁力計的應用使用三個 GMR 傳感器進 行展示，此三個傳感器配置在同一平面上，共用一個磁通導引器。以電磁模 擬分析探討了磁通導引器的磁通彎曲效應，並應用線性變換校準以實現三軸 磁力計的正交感測方向。本研究亦展示了 GMR 自旋閥傳感器的其他應用，包 括使用梯度磁場的位置跟踪系統和用於探傷的渦流探頭。在位置跟踪系統中， GMR 傳感器用於檢測具有 1kHz 正弦波激發梯度場的 z 分量，以相位敏感偵測 器解析同相和正交相位之梯度場 Bi 和 Bq 來確定傳感器的位置，傳感器的座標 顯示在 LabVIEW 編寫的圖形介面軟件上。 GMR 自旋閥傳感器也適用於探傷應 i 用中的渦流探頭，缺陷的位置可由微分缺陷場的最大振幅指出，而深度則可 由微分缺陷場的相位解析。 ii Fabrication and Application of Giant Magnetoresistance Spin-Valve Student: Xuan Thang Trinh Advisors: Prof. Jen-Tzong Jeng Co-advisors: Prof. Jen-Hwa Hsu Department of Mechanical Engineering National Kaohsiung University of Science and Technology ABSTRACT Keyword: Magnetic sensor, GMR sensor, spin-valve, tri-axis magnetometer, electronic compass, position tracking, eddy current probe.

In this study, the giant magnetoresistance (GMR) spin-valve devices were fabricated and characterized, and their performance in tri-axis magnetometer, eddy current probe, and position tracking were analyzed. The spin-valve GMR film was deposited by using the DC magnetron sputtering system. The structure of spin-valve used in this work were Si/SiO2|Ta (5nm)|NiFe (3nm)|Co (0.5nm)|Cu (x nm)|CoFe (2.5nm)|IrMn (10nm)|Ta (2nm) with Cu layer thickness x = 2. The GMR spin-valve sensor was patterned into the field sensitive cell of 3 × 100 µm by using the lift-off fabrication process.

The flux concentrator layer on the top was made of NiFe material. The transport properties of GMR film was demonstrated by magnetoresistance (MR) and vibrating-sample-magnetometer (VSM) data. The maximum magnetoresistance ratio achieved was about 8%. The application in the three-dimensional magnetometer was demonstrated using three GMR sensors mounted on the same plane with a flux-guide.

The flux bending effect of flux-guide was analyzed using electromagnetic simulation. The linear transform calibration was applied to achieve orthogonal sensing directions for the tri-axis magnetometer. The other applications of GMR spin-valve sensors were also demonstrated, including the iii position tracking system using the gradient magnetic field and the eddy current probe based GMR spin-valve sensor for the flaw detection. In the position tracking system, the GMR sensor was used to detect the z-component of the gradient field with 1kHz sinewave excitation signal.

The position of sensor is determined by detecting the in- phase and quadrature-phase gradient field Bi and Bq with a phase sensitive detector. The coordinates of sensor were displayed on GUI software coded by LabVIEW. The GMR spin-valve sensor was also applied for eddy current probe in the flaw detection application. The location of the flaws was determined by the maximum amplitude of differential defect field while the depth of the flaws can be determined by the phase of differential defect field.

iv Acknowledgments Firstly, I would like to thank especially my advisor, Prof. Jen-Tzong Jeng, for his guidance and support during my study times at NKUST, Taiwan. He is always supportive and gives me the opportunity to expand my knowledge of the fields related to magnetic sensors. I would also like to extend my thanks to my Co-advisor, Prof.

Jen-Hwa Hsu, for his guidance, supports and giving valuable advice for me in my working time at NTU to fabricate GMR sensor as well as his advice for my dissertation. Next I would like to thank Prof. Lance Horng, Prof. Chih-Cheng Lu, Prof.

Ssu-Yen Huang and Prof. Chin-Tai Chen for accepting to be the committee members for my thesis defense. I would like to extend my special thanks to all of the members of the Micro Magnetic Technologies Laboratory (MMTLab), Department of Mechanical Engineering at National Kaohsiung University of Science and Technology. First, I would like to thank Ph.D Van Su Luong for his introducing me to join MMTLab.

He has been instructed me to use the equipment in the laboratory, as well as giving me valuable advice during the study and research process. Second, I would like to send the special thanks to my Taiwanese in MMTLab, Mr. Bor-Lin Lai, Ms. Chia-Yi Chang, Mr.

Wei-Chun Chang, Mr. Jyun-Kai Wang, Mr. Bo-Chen Chen, Mr. Min-Jia Lan, Mr.

Guan-Wei Huang, Mr. Yi-Shian Chiang, Jing-Yuan Chen, and Tsang-Hao Tsao for their help and support to me during the studying time in Taiwan. I would like to say a lot of thanks to all of my Vietnamese friends and colleagues at NKUST for sharing and helping me over the past few years. Moreover, I also would like to send my thanks to Prof.

Ssu-Yen Huang and his students in Spintronic Laboratory, they have been helped me many things, as well as facilitating me to use the machines in Spintronic Lab during my working time for fabrication the GMR sensor at Department of Physics, National Taiwan University. I would like to thank Prof. Chih-Cheng Lu for facilitating me using the devices in Advanced Microsystems and Devices Laboratory (AMD Lab) at Institute of Mechatronic Engineering, National Taipei University of Technology (NTUT) to v pattern the sensors, and my thanks to Mr. Chih-Hsien Hung, who was my co-worker in the fabrication for GMR sensor.

The last thanks, it is indispensable for my great family, for my venerable parents. Especially for my beloved wife, Mrs. Nguyen Thi Huong, who is always with me and the motivation for me to complete my studies in Taiwan. In addition, my work has been supported by the Ministry of Science and Technology of Taiwan under Grant Nos.

MOST 104-2221-E-151-011, MOST 104- 2221-E-027-059, MOST 106-2221-E-992 -342, MOST 106-2221-E-151 -025 and MOST 106-2221-E-027 -060. vi Contents ABSTRACT. vii List of Figures. Applications of magnetic sensor.

Hall effect sensor. Overview of Magnetoresistance. Motivation of study. 15 Chapter 2: Fabrication of GMR Spin-Valve.

Film structure of GMR spin-valve. Spin-valve structure. Behavior of GMR spin-valve sheet film. GMR spin-valve fabrication process.

Cleaning, coating and soft baking. Development and hard baking. Film deposition process. Patterning using the lift-off method.

Field annealing process. Characteristic of GMR films. Measurement of magnetic. 28 Chapter 3: Design of GMR-based Sensing Systems.

Miniature tri-axis magnetometer with in-plane GMR sensors. Tri-axis magnetometer design. Simulations of flux bending effect. Eddy current probe for flaw detection.

Design of eddy current probe based on GMR spin-valve sensor. Position tracker using GMR sensor. Design of position tracker system. Linearity correction algorithm.

48 Chapter 4: Results and Discussion. Characterization of GMR films. Characterization of sheet film. Dependence of MR on the spacer layer thickness.

Characterization of miniature 3D magnetometer using in-plane GMR sensor. Sensitivity and noise of tri-axis magnetometer. Azimuth response of 3D magnetometer in electronic compass application. Flaw detection with the GMR-based eddy-current probe.

Position tracking with GMR sensors. 66 Chapter 5: Conclusions and Outlook. 73 List of Publication. 76 viii Conference Presentation.

78 ix List of Figures Figure 1- 1. Classification of the magnetic sensors based on their detectable ability [10]. Illustration of the operating principles of basic fluxgate sensor. Configuration of GMI measurement system.

Comparision of RF and DC SQUID ring [36]. The working principle of Hall effect sensor. The GMR film structures. The scattering of spin-up and spin-down electrons in GMR effect: (a) the scattering events occurring in the magnetic layers, and (b) the two-current resistors model.

Illustration for the operation of TMR sensor. The film structure of GMR spin-valve. MR loop of GMR spin-valve film. The steps of patterning process for microfabrication using the lift-off method.

The basic steps of the photolithography process. Photolithography process with (a) positive photoresist, and (b) negative photoresist. Configuration and working principle of the DC magnetron sputtering machine with multiple- cathodes. The DC magnetron sputtering machine at NTU.

Magnetic field annealing machine at Spintronic Lab, NTU. The diagram of vibration sample magnetometer (VSM) system. Four probes measurement system for GMR spin-valve film. MR measurement system at NTU.

A measurement system for 3D magnetometer sensor. (a) Digital driving system for the magnetometer. Ansys Maxwell Simulation for the flux bending effect of flux-guide. The simulation results of flux bending effect.

(a) The 3D graph of field distribution at the sensing plane with Bapp // z-axis, (b) the field distribution with Bapp // z-axis at y = 0, (c) The 3D graph of field distribution at the sensing plane with Bapp // x-axis and (d) the field distribution with Bapp // x-axis at y = 0. The flux-density distribution with the applied external field on the sensing plane (a) Bapp // z-axis and (b) Bapp // x-axis. The system of flaw detection using the eddy current sensor based on GMR spin-valve. The GMR spin-valve sensor GF807 used in this work: (a) top view of sensor, (b) arrangement of the GMR elements on the sensor die, (c) configuration of GMR spin-valve Wheatstone bridge and (d) the sensor device for position tracker system.

Diagram of position tracker system using GMR spin-valve and the gradient field. The layout of x- and y- gradient coils for constant gradient fields. The z-axis field component of the main coil generated by the AB (x1) segment. The simulated field distribution by the calculation results with the excitation current of 4.28 mA of (a) x-coil (Bi) at y = 0 and (b) y-coil (Bq) at x = 0.

The experiment data of field distributions of (a) x-coil and (b) y-coil. The total number of data points is 121 and the grid size is 2 × 2 cm. The smooth distribution is obtained by using a cubic spline interpolation. Process for retrieving the position signals with dual-phase synchronous detection.

The two contour lines corresponding to Bi0 and Bq0 plotted by using the cubic interpolation algorithm. The sensor position is determined by the intersection of two contour lines. The characterization of sheet film. (a) magnetoresistance, and (b) magnetization curve of the structure Si/SiO2 (Ta 5 nm| NiFe 3 nm| Co 0.5 nm| IrMn 10 nm| Ta 2 nm).

The influence of the spacer layer thickness to the MR ratio and operation point of GMR spin-valve. The design of GMR spin valve sensor with the line width of 3µm using lift-off method (a) photo of device, and (b) cross section of device. The MR loops of patterned single cell with the Cu thickness of 2.4 nm: blue is minor loop of sheet films and orange is for the patterned. The MR loops of patterned single cell with the Cu thickness of 2.8 nm: blue is minor loop of sheet films and orange is for the patterned.

The improvement of MR ratio with the flux concentrator layer. Calculated results of flux gain induced by the flux bending effect at the center of sensor corresponds to the applied field rotation with the rotating interval of 15o. Azimuth response of miniature tri-axis magnetometer with rotating about cylindrical flux-guide. (a) direct of the sensor output, (b) converted magnetic field, (c) setups for rotation and (d) polar plot of Bx-By.

Azimuth response of miniature tri-axis magnetometer with rotating about y-axis of the magnetometer. (a) direct of the sensor output, (b) converted magnetic field, (c) setup for rotation and (d) polar plot of Bx-Bz. Output of eddy current sensor when scanning across the crack positions on the specimen with the different excitation frequency (fexc = 20, 30, 40, and 50 kHz). Spatial variation for the in-phase and quadrature-phase component in scanning process over the crack of a specimen with the excitation frequency of 50 kHz and scanning length of 80 mm.