利用磁渦旋結構實現(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)代技術應用均是基于磁性技術，例如在電動汽車中的動力部件，或存儲數(shù)據(jù)的硬盤。另外，磁場探測也會作為傳感器的功能之一。目前，采用半導體技術制造的磁場傳感器市場規(guī)模已達到16.7億美元，并將持續(xù)增長勢頭。在汽車電子行業(yè)中，將更精確的磁場傳感器應用于ABS系統(tǒng)中不僅可以檢測速度與位置，還可以間接檢測輪胎壓力，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相關應用的興起，主要歸功于其靈敏度和集成能力的提高。

新型磁場傳感器的核心是可以實現(xiàn)磁信號轉(zhuǎn)換的微結構鐵磁薄膜元件（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。

奧地利科學家團隊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撲保護的磁渦旋狀態(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)磁場的外部磁場處換能器元件不可復制的磁性反轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，研究者利用流體封閉的渦旋結構，開發(fā)出了巨磁阻傳感器結構，即使與目前最先進的傳感器相比，該傳感器也毫不遜色：磁噪聲更低，線性度高出一個數(shù)量級，磁滯幾乎可以忽略。

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

一旦施加外部磁場，這種所謂的換能元件（transducer element）就會改變其電行為；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。該行為可用來探測磁場。

臨界場附近的渦旋磁化模式

圖中虛線處是剛性渦旋模型預測的臨界磁場

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

在本項目研究中，科學家利用經(jīng)過實驗驗證的計算機仿真表明，通過重新設計換能元件，可以顯著降低干擾信號、磁噪聲和磁滯現(xiàn)象。在新的設計中，換能元件的原子磁偶極排列在中心周圍，形態(tài)類似颶風。外部磁場改變了該渦旋中心的位置，這直接表現(xiàn)為電阻的變化。

該項目負責人Dieter Suss說：“這次展示了磁渦旋結構的首次大規(guī)模應用，與傳統(tǒng)的磁性傳感器相比有顯著的改進?！痹撗芯宽椖科鸬搅撕芎玫氖痉蹲饔茫喝缭谕獠看艌鲋械拇艤u旋結構行為等基礎研究和純科學問題，可以催生非常成功的應用。Suss針對該重要協(xié)同作用補充道：“科學到應用的先決條件是建立科學與產(chǎn)業(yè)界之間的合作，在合作過程中，產(chǎn)業(yè)界既可以提供與實踐緊密相連的問題，也可以為實現(xiàn)這些復雜的技術提供如凈化間等技術設施?！?/p>