许多现代技术应用都是基于磁性技术,例如在电动汽车中的动力部件,或存储数据的硬盘。另外,磁场探测也会作为传感器的功能之一。目前,采用半导体技术制造的磁场传感器市场规模已达到16.7亿美元,并将持续增长势头。
一款具有涡旋状态磁性换能元件的磁传感器。资料图
在汽车电子行业中,将更精确的磁场传感器应用于ABS系统中不仅可以检测速度与位置,还可以间接检测轮胎压力,无需在轮胎中额外安装压力传感器,节省了资源和成本。而如各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)和隧道磁阻(TMR)等新型磁阻传感器技术相关应用的兴起,主要归功于其灵敏度和集成能力的提高。
新型磁场传感器的核心是:可实现磁信号转换的微结构铁磁薄膜元件,但这些元件通常呈现非线性磁滞曲线,使传感器性能受到磁噪声的限制。
奥地利科学家团队着重研究了磁阻传感器中磁噪声的起源,并证明了在换能元件中受拓扑保护的磁涡旋状态可以克服噪声问题。利用解析法和微磁模型,研究者发现噪声的主要来源是靠近Stoner–Wohlfarth模型反转磁场的外部磁场处换能器元件不可复制的磁性反转。
为了解决这个问题,研究者利用流体封闭的涡旋结构,开发出了巨磁阻传感器结构,即使与目前最先进的传感器相比,该传感器也毫不逊色:磁噪声更低,线性度高出一个数量级,磁滞几乎可以忽略。
旋转磁场与Stoner-Wohlfarth模型相切产生的相位噪声。资料图
一旦施加外部磁场,这种所谓的换能元件就会改变其电行为;原子“罗盘针”,即原子磁偶极子将重新排列,从而改变了换能元件的电阻。该行为可用来探测磁场。
临界场附近的涡旋磁化模式,资料图
图中虚线处是刚性涡旋模型预测的临界磁场,资料图
在维也纳大学、克雷姆斯多瑙河大学与英飞凌公司的共同合作中,由Dieter Suss领导的研究小组在基督教多普勒实验室的“先进磁传感与材料”组织对物理起源和理论极限进行了详细的分析,并针对解决方案提出了具体建议。该研究结果近期发表于杂志《自然电子学》。
在本项目研究中,科学家利用经过实验验证的计算机仿真表明,通过重新设计换能元件,可以显著降低干扰信号、磁噪声和磁滞现象。在新的设计中,换能元件的原子磁偶极排列在中心周围,形态类似飓风。外部磁场改变了该涡旋中心的位置,这直接表现为电阻的变化。
该项目负责人Dieter Suss说,这次展示了磁涡旋结构的首次大规模应用,与传统的磁性传感器相比有显著的改进。该研究项目起到了很好的示范作用:如在外部磁场中的磁涡旋结构行为等基础研究和纯科学问题,可以催生非常成功的应用。