自旋電子學型MR磁性傳感器的原理分析

（文章來源：TDK）

自旋電子學型MR器件是由強磁性體薄膜將非磁性體薄膜夾在中間的夾心結(jié)構(gòu)。一側(cè)的強磁性體膜是通過釘扎固定磁化方向的釘扎層(固定層)，而另一側(cè)則為自由層，其強磁性體膜磁化方向追隨外部磁場方向進行變化。由于器件電阻與釘扎層和自由層的磁化方向相對角成正比進行變化，因此可通過電流大小得知磁場強度。

MR磁性傳感器與磁通門傳感器或MI(磁阻抗)傳感器不同，由于只需供應(yīng)DC電源便可獲得信號，因此不需要復雜的振蕩電流。

雖然MR器件擁有優(yōu)異的溫度特性，但其電阻值還是會隨著溫度變化而產(chǎn)生細微變動。為了將這一溫度漂移控制在最小范圍，在MR磁性傳感器中，基板上形成有多個器件，并通過沖橋結(jié)構(gòu)進行差動溫度補償。以4個器件為組合的典型的惠斯登電橋電路如圖所示。箭頭表示釘扎層的磁化方向。

TDK的MR磁性傳感器單元組合了電橋結(jié)構(gòu)的多個MR器件，并且內(nèi)置有低噪音電路。TDK開發(fā)了將該傳感器單元以格子狀進行排列的傳感器陣列，并與東京醫(yī)科齒科大學大學院進行共同研究，通過MR磁性傳感器成功實現(xiàn)了世界首例(2016年)心磁場的測量與可視化(影像)。

同時，TDK通過實現(xiàn)最大64ch的多信道化，成功獲得了更為清晰的圖像。圖所示為TDK的MR磁性傳感器單元以及64ch(信道)傳感器陣列。

使用TDK的64ch MR磁性傳感器進行心臟磁場分布測量及可視化的示例如圖所示。重疊胸部X光片后，藍色波形映射了心電圖(ECG)、綠色波形映射了心磁圖(MCG)，而照片則映射了心臟的磁場分布。黑色點為傳感器信道，心磁圖波形為通過以黃色點(①②)表示的傳感器信道得到的磁場強度時間波形。之所以波形峰值之間方向相反是因為磁力線方向不同。

照片中與天氣圖等壓線類似的白色閉合曲線所示為，與心電圖R波相對應(yīng)，且與測量時心臟周圍相同磁場強度相結(jié)合的等磁線。紅色以及藍色部分表示磁力線方向不同。紅色部分表示磁力線的流出方向，藍色部分則表示磁力線的流入方向。心電圖R波所示為心室收縮過程，通過磁場分布與磁力線朝向以及右手螺旋定則，此時的心臟活動電流可推定為沿綠色箭頭方向流動。
（責任編輯：fqj）