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TMR磁傳感器技術(shù)的發(fā)展背景 - 磁傳感器知識 - 設(shè)計資料
磁傳感器知識

TMR磁傳感器技術(shù)的發(fā)展背景

發(fā)布日期:2012年01月08日    瀏覽次數(shù):29286

 早在1975年,,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junctions, MTJs)(注:MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結(jié)構(gòu))中觀察到了TMR效應(yīng),。但是,,這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時并沒有引起人們的重視。在這之后的十幾年內(nèi),,TMR 效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢(注:TMR效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng),。)

  1988 年,巴西學(xué)者Baibich在法國巴黎大學(xué)物理系Fert教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組中工作時,首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應(yīng),。TMR效應(yīng)和GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了凝聚態(tài)物理學(xué)中新的學(xué)科分支——磁電子學(xué)的產(chǎn)生,。20年來,GMR效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速,,并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進(jìn),,已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國際典范。

  隨著GMR效應(yīng)研究的深入,,TMR效應(yīng)開始引起人們的重視,。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值,但強(qiáng)的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場很高,,磁場靈敏度很小,,從而限制了GMR效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)本身電阻率很高,、能耗小、性能穩(wěn)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(jī)存儲器(MRAM),,都具有無與倫比的優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用前景十分看好,,引起世界各研究小組的高度重視,。

  TMR效應(yīng)由于具有磁電阻效應(yīng)大、磁場靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢,,從而展示出十分誘人的應(yīng)用前景,。概括來說,TMR 材料主要用于計算機(jī)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(jī)存儲的必然趨勢,。上世紀(jì)90年代初,磁電阻型讀出磁頭在硬磁盤驅(qū)動器中的應(yīng)用,大大促進(jìn)了硬磁盤驅(qū)動器性能的提高,,使其面記錄密度達(dá)到了Gb/in2的量級,。十幾年來,磁電阻磁頭已從當(dāng)初的各向異性磁電阻磁頭發(fā)展到GMR磁頭和TMR磁頭,。TMR磁頭材料的主要優(yōu)點(diǎn)是磁電阻比和磁場靈敏度均高于GMR磁頭,,而且其幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)制作的MRAM具有集成度高、非易失性,、讀寫速度快,、可重復(fù)讀寫次數(shù)大、抗輻射能力強(qiáng),、功耗低和壽命長等優(yōu)點(diǎn),,它既可以做計算機(jī)的內(nèi)存儲器,也可以做外存儲器,。作為內(nèi)存儲器,,與市場上通用的半導(dǎo)體內(nèi)存儲器相比,它的優(yōu)點(diǎn)是非失性,、存取速度快,、抗輻射能力強(qiáng),;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(yōu)勢是無運(yùn)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(jìn)行傳感,。由于此類傳感器體積小、可靠性高,、響應(yīng)范圍寬,,在自動化技術(shù)、家用電器,、商標(biāo)識別,、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測量技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景,。


高靈敏度——被檢測信號的強(qiáng)度越來越弱,,需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應(yīng)用方面包括電流傳感器,、角度傳感器,、齒輪傳感器、太空環(huán)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(huán),也需要磁性傳感器本身的檢測精度達(dá)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(xì)化以及傳感器到齒輪的間距的最大化,,導(dǎo)致磁性信號變得非常微弱

(4)太空環(huán)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(wěn)定性——更多的應(yīng)用領(lǐng)域要求傳感器的工作環(huán)境越來越嚴(yán)酷,,這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩(wěn)定性,行業(yè)應(yīng)用包括汽車電子行業(yè),。

(1)汽車電子行業(yè):從滴水成冰的外部環(huán)境到滾燙的發(fā)動機(jī)內(nèi)部都必須工作

(2)智能電網(wǎng):可以迎接百年一遇的寒冷,,也能堅守在發(fā)熱嚴(yán)重的封閉體內(nèi)

(3)航空航天領(lǐng)域:在有保護(hù)的情況下,工作溫度的跨度也是非常大的

 

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

(1)水表:可以檢測到0.0001m3的即時流量(> 10 kHz)

(2)汽車電子行業(yè):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(yè):要求數(shù)據(jù)傳輸率 > 1 GHz

 

低功耗——很多領(lǐng)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(yīng)用在植入身體內(nèi)磁性生物芯片,,指南針等等。

(1)植入身體內(nèi)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(lǐng)域里傳感器的使用環(huán)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(shù)電路板產(chǎn)生的雜散磁場為地磁場的50倍以上,;

(2)金融磁頭:內(nèi)部的各種電機(jī)產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度為磁性油墨磁場的50倍以上;

(3)POS機(jī)磁頭:手機(jī)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(fā)動機(jī),、運(yùn)動部件以及各種電線產(chǎn)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(chǎn)品級集成

(1)芯片級的集成:傳感器 + ASIC數(shù)字式輸出,、標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)

(3)產(chǎn)品級集成:模塊 + 產(chǎn)品功能化,、智能化

 

以上內(nèi)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(xué)磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 磁性材料研究所,。特此致謝,!