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隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介

文章来源:【工业电器网】 作者:【*】 点击:次 时间:2018/9/18 13:23:21

隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介

 

(浙江巨磁智能技术有限公司  Magtron段康靖)

一、概述

1、磁阻概念:材料的电阻会因外加磁场而增加或减少,电阻的变化量称为磁阻(Magnetoresistance)。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。同霍尔效应一样,磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。从一般磁阻开始,磁阻发展经历了巨磁阻GMR)、庞磁阻(CMR)、异向磁阻(AMR)、穿隧磁阻(TMR)、直冲磁阻(BMR)和异常磁阻(EMR)。

2、磁阻应用:磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡硬盘)等领域。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用,如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。

3、穿隧磁阻效应(TMR):穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(1纳米)-铁磁材料中,其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。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。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。

二、穿隧磁阻效应(TMR)的物理简释

从经典物理学观点看来,铁磁层(F1+绝缘层(I+铁磁层(F2)的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通,而量子力学却可以完美解释这一现象。当两层铁磁层的磁化方向互相平行,多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,总的隧穿电流较大,此时器件为低阻状态;当两层的磁铁层的磁化方向反平行,情况则刚好相反,即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,此时隧穿电流较小,器件为高阻状态。可以看出,隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向,当磁化方向发生变化时,隧穿电阻发生变化,因此称为隧道磁电阻效应。

隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介

SEQ 图表 \* ARABIC 1 TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

TMR传感器利用磁场变化引起磁电阻变化的原理,因此我们可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测算外磁场的变化。实际的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构复杂。基本结构除了铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构外,还在上下增加顶电极层(upper contact)和底电极层(lower contact),两层电极直接与相近的磁层接触。底电极层位于绝缘基片(Insulating)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且位于衬底(Substrate)的上方。

隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介

SEQ 图表 \* ARABIC 2 TMR磁阻传感器的结构

三、TMR磁阻传感器的特性

基于磁电阻效应磁信号可以转变为电信号,除了庞磁电阻(CMR)效应受到温度区间和工作磁场的限制而很难应用以外,其他AMRGMRTMR三种磁电阻效应都可以应用于磁传感器中。

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