隧道磁阻技術及其應用簡介

一.概述

1.磁阻的概念:材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化稱為磁阻。物質的電阻率在磁場中發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應。磁阻效應和霍爾效應一樣，是由磁場中作用于載流子的洛倫茲力引起的。從一般的磁電阻開始，磁電阻經歷了巨磁電阻、巨磁電阻、各向異性磁電阻、隧道磁電阻、直接磁電阻和異常磁電阻。

2.磁阻應用:磁阻效應廣泛應用于磁傳感、磁強計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛檢測、GpS導航、儀器儀表、磁存儲等領域。磁阻器件因其靈敏度高、抗干擾能力強而廣泛應用于工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、勘探等領域，如數(shù)字羅盤、交通車輛檢測、導航系統(tǒng)、假幣檢測、位置測量等。

3.隧道磁阻效應:隧道磁阻效應是指在鐵磁-絕緣體薄膜-鐵磁材料中，隧道電阻隨兩側鐵磁材料的相對方向而變化的效應。TMR效應因其獨特的優(yōu)勢，如大磁阻效應和高磁場靈敏度，顯示出非常誘人的應用前景。這種效應是磁性隨機存儲器和硬盤中磁性讀/寫頭的科學基礎。

二、隧道磁阻效應的物理解釋

從經典物理學的角度來看，鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結構根本無法在磁層中實現(xiàn)電子穿通，但量子力學可以很好地解釋這一現(xiàn)象。當兩個鐵磁層的磁化方向相互平行時，大部分自旋子帶的電子會進入另一磁性層的大部分自旋子帶的空狀態(tài)隧道磁電阻傳感器，少數(shù)自旋子帶的電子也會進入另一磁性層的小部分自旋子帶的空狀態(tài)?？偹泶╇娏鞔?，此時器件處于低阻狀態(tài)。當兩個磁層的磁化方向反平行時，情況正好相反，即大部分自旋子帶的電子會進入另一個磁層中少數(shù)自旋子帶的空狀態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也會進入另一個磁層中多數(shù)自旋子帶的空狀態(tài)，此時隧穿電流較小，器件處于高阻狀態(tài)。可以看出，隧道電流和隧道電阻取決于兩個鐵磁層的相對磁化方向。當磁化方向改變時，隧道電阻發(fā)生變化，所以稱為隧道磁阻效應。

圖TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

TMR磁傳感器利用磁場變化引起磁阻變化的原理，因此我們可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測量外部磁場的變化。TMR磁阻傳感器的制作遠比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結構復雜。在基本結構中，除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的夾層結構外，上下增加了一個頂部電極層和一個底部電極層，兩個電極與相鄰的磁性層直接接觸。底部電極層位于絕緣襯底上方，比底部電極層寬并且位于襯底上方。

圖2磁阻傳感器的結構

三、TMR磁阻傳感器的特點

基于磁阻效應的磁信號可以轉換成電信號。除了受溫度范圍和工作磁場限制的巨磁電阻效應外，AMR、GMR和TMR磁電阻效應都可以應用于磁傳感器。

目前，AMR傳感器得到了廣泛的應用。GMR傳感器方興未艾，發(fā)展迅速。TMR傳感技術首次應用于硬盤驅動器的讀頭，大大提高了硬盤驅動器的記錄密度。它結合了AMR的高靈敏度和GMR的寬動態(tài)范圍的優(yōu)點。因此，在各種磁傳感器技術中，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術優(yōu)勢隧道磁電阻傳感器，其性能指標遠遠優(yōu)于其他類型的傳感器。下表1給出了具有三種效果的傳感器技術的比較。

表1三種磁共振傳感技術的比較

各種由TMR材料制成的高靈敏度磁傳感器用于檢測弱磁場和感測弱磁場信號。這種傳感器具有體積小、可靠性高、響應范圍廣的優(yōu)點，能夠滿足自動化技術、家用電器、商標識別、衛(wèi)星定位、導航系統(tǒng)和精密測量技術日益苛刻的要求?；赥MR技術的傳感器具有以下特征:

1.高靈敏度-檢測信號的強度越來越弱，因此磁傳感器的靈敏度需要大大提高。應用包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、以及Tai 空的環(huán)境測量。

電流傳感器:需要檢測nA級的電流，即使加上磁聚焦環(huán)，磁傳感器本身的檢測精度也需要達到nt級

角度傳感器：

文章由啟和科技編輯