利用磁渦旋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高性能磁傳感器

一款具有渦旋狀態(tài)磁性換能元件的磁傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，許多現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用均是基于磁性技術(shù)，例如在電動(dòng)汽車中的動(dòng)力部件，或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的硬盤。另外，磁場(chǎng)探測(cè)也會(huì)作為傳感器的功能之一。目前，采用半導(dǎo)體技術(shù)制造的磁場(chǎng)傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到16.7億美元，并將持續(xù)增長勢(shì)頭。在汽車電子行業(yè)中，將更精確的磁場(chǎng)傳感器應(yīng)用于ABS系統(tǒng)中不僅可以檢測(cè)速度與位置，還可以間接檢測(cè)輪胎壓力，無需在輪胎中額外安裝壓力傳感器，節(jié)省了資源和成本。而如各向異性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）等新型磁阻傳感器技術(shù)相關(guān)應(yīng)用的興起，主要?dú)w功于其靈敏度和集成能力的提高。

新型磁場(chǎng)傳感器的核心是可以實(shí)現(xiàn)磁信號(hào)轉(zhuǎn)換的微結(jié)構(gòu)鐵磁薄膜元件（microstructured ferromagnetic thin-film element），但這些元件通常呈現(xiàn)非線性磁滯曲線，使得傳感器性能受到磁噪聲的限制。

奧地利科學(xué)家團(tuán)隊(duì)著重研究了磁阻傳感器中磁噪聲的起源，并證明了在換能元件中受拓?fù)浔Ｗo(hù)的磁渦旋狀態(tài)可以克服噪聲問題。利用解析法和微磁模型，研究者發(fā)現(xiàn)噪聲的主要來源是靠近Stoner–Wohlfarth模型反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的外部磁場(chǎng)處換能器元件不可復(fù)制的磁性反轉(zhuǎn)。為了解決這個(gè)問題，研究者利用流體封閉的渦旋結(jié)構(gòu)，開發(fā)出了巨磁阻傳感器結(jié)構(gòu)，即使與目前最先進(jìn)的傳感器相比，該傳感器也毫不遜色：磁噪聲更低，線性度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，磁滯幾乎可以忽略。

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與Stoner-Wohlfarth模型相切產(chǎn)生的相位噪聲

一旦施加外部磁場(chǎng)，這種所謂的換能元件（transducer element）就會(huì)改變其電行為；原子“羅盤針”，即原子磁偶極子（atomic magnetic dipoles）將重新排列，從而改變了換能元件的電阻。該行為可用來探測(cè)磁場(chǎng)。

臨界場(chǎng)附近的渦旋磁化模式

圖中虛線處是剛性渦旋模型預(yù)測(cè)的臨界磁場(chǎng)

在維也納大學(xué)（University of Vienna）、克雷姆斯多瑙河大學(xué)（Danube University Krems）與英飛凌公司（Infineon AG）的共同合作中，由Dieter Suss領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在基督教多普勒實(shí)驗(yàn)室的“先進(jìn)磁傳感與材料”組織對(duì)物理起源和理論極限進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并針對(duì)解決方案提出了具體建議。該研究結(jié)果近期發(fā)表于雜志《自然電子學(xué)》（Nature Electronics）。

在本項(xiàng)目研究中，科學(xué)家利用經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)仿真表明，通過重新設(shè)計(jì)換能元件，可以顯著降低干擾信號(hào)、磁噪聲和磁滯現(xiàn)象。在新的設(shè)計(jì)中，換能元件的原子磁偶極排列在中心周圍，形態(tài)類似颶風(fēng)。外部磁場(chǎng)改變了該渦旋中心的位置，這直接表現(xiàn)為電阻的變化。

該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Dieter Suss說：“這次展示了磁渦旋結(jié)構(gòu)的首次大規(guī)模應(yīng)用，與傳統(tǒng)的磁性傳感器相比有顯著的改進(jìn)?！痹撗芯宽?xiàng)目起到了很好的示范作用：如在外部磁場(chǎng)中的磁渦旋結(jié)構(gòu)行為等基礎(chǔ)研究和純科學(xué)問題，可以催生非常成功的應(yīng)用。Suss針對(duì)該重要協(xié)同作用補(bǔ)充道：“科學(xué)到應(yīng)用的先決條件是建立科學(xué)與產(chǎn)業(yè)界之間的合作，在合作過程中，產(chǎn)業(yè)界既可以提供與實(shí)踐緊密相連的問題，也可以為實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的技術(shù)提供如凈化間等技術(shù)設(shè)施?！?/p>