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TMR磁传感器技术的发展背景

发布日期:2012年01月05日    浏览次数:9315

 早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions, MTJs)(注:MTJs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构)中观察到了TMR效应。但是,这一发现当时并没有引起人们的重视。在这之后的十几年内,TMR 效应的研究进展十分缓慢(注:TMR效应产生机理是自旋相关的隧穿效应。)

  1988 年,巴西学者Baibich在法国巴黎大学物理系Fert教授领导的科研组中工作时,首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻(GMR)效应。TMR效应和GMR效应的发现导致了凝聚态物理学中新的学科分支——磁电子学的产生。20年来,GMR效应的研究发展非常迅速,并且基础研究和应用研究几乎齐头并进,已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。

  随着GMR效应研究的深入,TMR效应开始引起人们的重视。尽管金属多层膜可以产生很高的GMR值,但强的反铁磁耦合效应导致饱和场很高,磁场灵敏度很小,从而限制了GMR效应的实际应用。MTJs中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合,只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向,从而实现隧穿电阻的巨大变化,故MTJs较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度。同时,MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此,MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器,还是作为磁随机存储器(MRAM),都具有无与伦比的优点,其应用前景十分看好,引起世界各研究小组的高度重视。

  TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势,从而展示出十分诱人的应用前景。概括来说,TMR 材料主要用于计算机硬盘的读出磁头、MRAM和各类磁传感器。

 目前,高密度、大容量和小型化已成为计算机存储的必然趋势。上世纪90年代初,磁电阻型读出磁头在硬磁盘驱动器中的应用,大大促进了硬磁盘驱动器性能的提高,使其面记录密度达到了Gb/in2的量级。十几年来,磁电阻磁头已从当初的各向异性磁电阻磁头发展到GMR磁头和TMR磁头。TMR磁头材料的主要优点是磁电阻比和磁场灵敏度均高于GMR磁头,而且其几何结构属于电流垂直于膜面(CPP)型,适合于超薄的缝隙间隔。

 基于TMR效应制作的MRAM具有集成度高、非易失性、读写速度快、可重复读写次数大、抗辐射能力强、功耗低和寿命长等优点,它既可以做计算机的内存储器,也可以做外存储器。作为内存储器,与市场上通用的半导体内存储器相比,它的优点是非失性、存取速度快、抗辐射能力强;作为外存储器,它比Flash存储器存取速度快1000倍,而且功耗小,寿命长。与硬磁盘相比,它的优势是无运动部件,使用起来与Flash存储器一样方便。TMR材料还可以做成各种高灵敏度磁传感器,用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感。由于此类传感器体积小、可靠性高、响应范围宽,在自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术方面具有广阔的应用前景。


高灵敏度——被检测信号的强度越来越弱,需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

(1)电流传感器:需要检测到nA级别的电流,即使加上聚磁环,也需要磁性传感器本身的检测精度达到nT的水平

(2)角度传感器:<0.01的分辨率

(3)齿轮传感器:齿轮的精细化以及传感器到齿轮的间距的最大化,导致磁性信号变得非常微弱

(4)太空环境测量:分辨率<0.015nT

(5)基于磁性异常检测的海洋布防等:<0.02pT的检测分辨率

 

温度稳定性——更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷,这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性,行业应用包括汽车电子行业。

(1)汽车电子行业:从滴水成冰的外部环境到滚烫的发动机内部都必须工作

(2)智能电网:可以迎接百年一遇的寒冷,也能坚守在发热严重的封闭体内

(3)航空航天领域:在有保护的情况下,工作温度的跨度也是非常大的

 

高频特性——随着应用领域的推广,要求传感器的工作频率越来越高,应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

(1)水表:可以检测到0.0001m³的即时流量(> 10 kHz)

(2)汽车电子行业:部件的精密控制,要求信号的频率越来越高(> 200 kHz)

(3)信息记录行业:要求数据传输率 > 1 GHz

 

低功耗——很多领域要求传感器本身的功耗极低,得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片,指南针等等。

(1)植入身体内磁性生物芯片

(2)使用电池供电的水表/气表,以及微功耗智能电表

(3)室外/野外磁性传感器(磁性异常检测仪、电子指南针、手持式磁场探测仪等)

(4)航空航天用磁性传感器

 

抗干扰性——很多领域里传感器的使用环境没有任何评比,就要求传感器本身具有很好的抗干扰性。包括电子罗盘、金融磁头等。

(1)电子罗盘:大多数电路板产生的杂散磁场为地磁场的50倍以上;

(2)金融磁头:内部的各种电机产生的磁场的强度为磁性油墨磁场的50倍以上;

(3)POS机磁头:手机信号的磁场为磁头磁场的5倍以上;

(4)水表、气表等;

(5)汽车电子:发动机、运动部件以及各种电线产生磁场的可以在10 Gs以上

 

小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求,这就需要芯片级的集成,模块级集成,产品级集成

(1)芯片级的集成:传感器 + ASIC数字式输出、标准化输出

(2)模块级集成:芯片 + 外部磁铁 + 模具 + 电路基本功能的实现

(3)产品级集成:模块 + 产品功能化、智能化

 

以上内容部分摘录于 《物理》38卷(2009年)6期,作者:李彦波,魏福林,杨正;作者单位:兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室 磁性材料研究所。特此致谢!


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