#技术风云榜#TMR传感器的原理和特性

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]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AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以应用于磁传感器中。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]目前，AMR传感器已经大规模应用；GMR传感器正方兴未艾，快速发展。TMR传感技术最早应用于硬盘驱动器读出磁头，大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围优点于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR磁传感器具有无可比拟的技术优势，其各项性能指标均远优于其他类型的传感器，表1给出了三种效应的传感器技术比较。

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]TMR效应的产生机理和特点

[color=rgb(51, 51, 51) !important]在铁磁材料中, 由于量子力学交换作用, 铁磁金属的 3d轨道局域电子能带发生劈裂, 使费米 ( Ferm i)面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]在磁性隧道结 MTJs中, TMR 效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。 MTJs的一般结构为铁磁层 /非磁绝缘层 /铁磁层 ( FM / I/FM )的三明治结构.。饱和磁化时,两铁磁层的磁化方向互相平行, 而通常两铁磁层的矫顽力不同, 因此反向磁化时, 矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转, 使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]TMR效应的产生机理示意图

[color=rgb(51, 51, 51) !important]若两层磁化方向互相平行, 则在一个磁性层中, 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; 若两磁性层的磁化方向反平行, 情况则刚好相反, 即在一个磁性层中, 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将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态, 这种状态的隧穿电流比较小。 因此, 隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化, 磁化矢量平行时的电导高于反平行时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向, 从而使得隧穿电阻发生变化, 导致TMR效应的出现。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]MTJs中两铁磁层电极的自旋极化率定义为

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]式中 和 N 分别为铁磁金属费米面处自旋向上和自旋向下电子的态密度。

[color=rgb(51, 51, 51) !important]由 Julliere模型可以得到

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]或者

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]式中

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[color=rgb(51, 51, 51) !important]在研究中，不同的学者对 TMR值的定义不同, 有的学者采用 ( 2) 式的定义, 但最近几年, 大部分学者都采用 ( 3)式的定义。

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目前，AMR传感器已经大规模应用；GMR传感器正方兴未艾，快速发展。TMR传感技术最早应用于硬盘驱动器读出磁头，大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围优点于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR磁传感器具有无可比拟的技术优势，其各项性能指标均远优于其他类型的传感器，表1给出了三种效应的传感器技术比较。