隧道磁阻技術(shù)（TMR）及其應(yīng)用簡介

（啟和科技 Magtron段康靖）

一、概述

1、磁阻概念：材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化量稱為磁阻（Magnetoresistance）。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。從一般磁阻開始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、異向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。

2、磁阻應(yīng)用：磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計(jì)、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域。磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。

3、穿隧磁阻效應(yīng)（TMR）：穿隧磁阻效應(yīng)是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應(yīng)。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。此效應(yīng)更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學(xué)基礎(chǔ)。

二、穿隧磁阻效應(yīng)（TMR）的物理簡釋

從經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)電子在磁層中的穿通，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時(shí)器件為低阻狀態(tài)；當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時(shí)隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)?？梢钥闯?，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時(shí)隧道磁電阻傳感器，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。

圖1 TMR磁化方向平行和反平行時(shí)的雙電流模型

TMR磁傳感器利用磁場變化引起磁電阻變化的原理，因此我們可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測算外磁場的變化。實(shí)際的TMR磁阻傳感器的制作遠(yuǎn)比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)雜?；窘Y(jié)構(gòu)除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)外，還在上下增加頂電極層（upper contact）和底電極層（lower contact），兩層電極直接與相近的磁層接觸。底電極層位于絕緣基片（Insulating）上方，絕緣基片要比底電極層要寬，且位于襯底（Substrate）的上方。

圖2 TMR磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)

三、TMR磁阻傳感器的特性

基于磁電阻效應(yīng)磁信號可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺她嫶烹娮?CMR)效應(yīng)受到溫度區(qū)間和工作磁場的限制而很難應(yīng)用以外，其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應(yīng)都可以應(yīng)用于磁傳感器中。

目前，AMR傳感器已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用；GMR傳感器正方興未艾，快速發(fā)展。TMR傳感技術(shù)最早應(yīng)用于硬盤驅(qū)動器讀出磁頭，大大提高了硬盤驅(qū)動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態(tài)范圍優(yōu)點(diǎn)于一體，因而在各類磁傳感器技術(shù)中，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型的傳感器，下表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。

表1 三種MR傳感技術(shù)比較

由TMR材料制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。此類傳感器具有體積小、可靠性高、響應(yīng)范圍寬等優(yōu)勢，能滿足應(yīng)對自動化技術(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)等方面越來越苛刻的要求。基于TMR技術(shù)制成的傳感器有以下特點(diǎn)：