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TMR磁傳感器技術的發展背景

發布日期:2012年01月05日    瀏覽次數:13721

 早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junctions, MTJs)(注:MTJs的一般結構為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結構)中觀察到了TMR效應。但是,這一發現當時并沒有引起人們的重視。在這之后的十幾年內,TMR 效應的研究進展十分緩慢(注:TMR效應產生機理是自旋相關的隧穿效應。)

  1988 年,巴西學者Baibich在法國巴黎大學物理系Fert教授領導的科研組中工作時,首先在Fe/Cr多層膜中發現了巨磁電阻(GMR)效應。TMR效應和GMR效應的發現導致了凝聚態物理學中新的學科分支——磁電子學的產生。20年來,GMR效應的研究發展非常迅速,并且基礎研究和應用研究幾乎齊頭并進,已成為基礎研究快速轉化為商業應用的國際典范。

  隨著GMR效應研究的深入,TMR效應開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產生很高的GMR值,但強的反鐵磁耦合效應導致飽和場很高,磁場靈敏度很小,從而限制了GMR效應的實際應用。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合,只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向,從而實現隧穿電阻的巨大變化,故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時,MTJs這種結構本身電阻率很高、能耗小、性能穩定。因此,MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器,還是作為磁隨機存儲器(MRAM),都具有無與倫比的優點,其應用前景十分看好,引起世界各研究小組的高度重視。

  TMR效應由于具有磁電阻效應大、磁場靈敏度高等獨特優勢,從而展示出十分誘人的應用前景。概括來說,TMR 材料主要用于計算機硬盤的讀出磁頭、MRAM和各類磁傳感器。

 目前,高密度、大容量和小型化已成為計算機存儲的必然趨勢。上世紀90年代初,磁電阻型讀出磁頭在硬磁盤驅動器中的應用,大大促進了硬磁盤驅動器性能的提高,使其面記錄密度達到了Gb/in2的量級。十幾年來,磁電阻磁頭已從當初的各向異性磁電阻磁頭發展到GMR磁頭和TMR磁頭。TMR磁頭材料的主要優點是磁電阻比和磁場靈敏度均高于GMR磁頭,而且其幾何結構屬于電流垂直于膜面(CPP)型,適合于超薄的縫隙間隔。

 基于TMR效應制作的MRAM具有集成度高、非易失性、讀寫速度快、可重復讀寫次數大、抗輻射能力強、功耗低和壽命長等優點,它既可以做計算機的內存儲器,也可以做外存儲器。作為內存儲器,與市場上通用的半導體內存儲器相比,它的優點是非失性、存取速度快、抗輻射能力強;作為外存儲器,它比Flash存儲器存取速度快1000倍,而且功耗小,壽命長。與硬磁盤相比,它的優勢是無運動部件,使用起來與Flash存儲器一樣方便。TMR材料還可以做成各種高靈敏度磁傳感器,用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。由于此類傳感器體積小、可靠性高、響應范圍寬,在自動化技術、家用電器、商標識別、衛星定位、導航系統以及精密測量技術方面具有廣闊的應用前景。


高靈敏度——被檢測信號的強度越來越弱,需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環境測量。

(1)電流傳感器:需要檢測到nA級別的電流,即使加上聚磁環,也需要磁性傳感器本身的檢測精度達到nT的水平

(2)角度傳感器:<0.01的分辨率

(3)齒輪傳感器:齒輪的精細化以及傳感器到齒輪的間距的最大化,導致磁性信號變得非常微弱

(4)太空環境測量:分辨率<0.015nT

(5)基于磁性異常檢測的海洋布防等:<0.02pT的檢測分辨率

 

溫度穩定性——更多的應用領域要求傳感器的工作環境越來越嚴酷,這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩定性,行業應用包括汽車電子行業。

(1)汽車電子行業:從滴水成冰的外部環境到滾燙的發動機內部都必須工作

(2)智能電網:可以迎接百年一遇的寒冷,也能堅守在發熱嚴重的封閉體內

(3)航空航天領域:在有保護的情況下,工作溫度的跨度也是非常大的

 

高頻特性——隨著應用領域的推廣,要求傳感器的工作頻率越來越高,應用領域包括水表、汽車電子行業、信息記錄行業。

(1)水表:可以檢測到0.0001m3的即時流量(> 10 kHz)

(2)汽車電子行業:部件的精密控制,要求信號的頻率越來越高(> 200 kHz)

(3)信息記錄行業:要求數據傳輸率 > 1 GHz

 

低功耗——很多領域要求傳感器本身的功耗極低,得以延長傳感器的使用壽命。應用在植入身體內磁性生物芯片,指南針等等。

(1)植入身體內磁性生物芯片

(2)使用電池供電的水表/氣表,以及微功耗智能電表

(3)室外/野外磁性傳感器(磁性異常檢測儀、電子指南針、手持式磁場探測儀等)

(4)航空航天用磁性傳感器

 

抗干擾性——很多領域里傳感器的使用環境沒有任何評比,就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性。包括電子羅盤、金融磁頭等。

(1)電子羅盤:大多數電路板產生的雜散磁場為地磁場的50倍以上;

(2)金融磁頭:內部的各種電機產生的磁場的強度為磁性油墨磁場的50倍以上;

(3)POS機磁頭:手機信號的磁場為磁頭磁場的5倍以上;

(4)水表、氣表等;

(5)汽車電子:發動機、運動部件以及各種電線產生磁場的可以在10 Gs以上

 

小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求,這就需要芯片級的集成,模塊級集成,產品級集成

(1)芯片級的集成:傳感器 + ASIC數字式輸出、標準化輸出

(2)模塊級集成:芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實現

(3)產品級集成:模塊 + 產品功能化、智能化

 

以上內容部分摘錄于 《物理》38卷(2009年)6期,作者:李彥波,魏福林,楊正;作者單位:蘭州大學磁學與磁性材料教育部重點實驗室 磁性材料研究所。特此致謝!


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