TMR傳感器的原理和特性

基于磁電阻效應(yīng)磁信號(hào)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，除了龐磁電阻(CMR)效應(yīng)受到溫度區(qū)間和工作磁場(chǎng)的限制而很難應(yīng)用以外，其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應(yīng)都可以應(yīng)用于磁傳感器中。

目前，AMR傳感器已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用；GMR傳感器正方興未艾，快速發(fā)展。TMR傳感技術(shù)最早應(yīng)用于硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器讀出磁頭，大大提高了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)點(diǎn)于一體，因而在各類(lèi)磁傳感器技術(shù)中，TMR磁傳感器具有無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于其他類(lèi)型的傳感器，表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理和特點(diǎn)

在鐵磁材料中, 由于量子力學(xué)交換作用, 鐵磁金屬的 3d軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂, 使費(fèi)米 ( Ferm i)面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態(tài)密度。

在磁性隧道結(jié) MTJs中, TMR 效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。 MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層 /非磁絕緣層 /鐵磁層 ( FM / I/FM )的三明治結(jié)構(gòu).。飽和磁化時(shí),兩鐵磁層的磁化方向互相平行, 而通常兩鐵磁層的矯頑力不同, 因此反向磁化時(shí), 矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn), 使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個(gè)磁性層隧穿到另一個(gè)磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理示意圖

若兩層磁化方向互相平行, 則在一個(gè)磁性層中, 多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài), 少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài), 總的隧穿電流較大; 若兩磁性層的磁化方向反平行, 情況則剛好相反, 即在一個(gè)磁性層中, 多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài), 而少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài), 這種狀態(tài)的隧穿電流比較小。 因此, 隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化, 磁化矢量平行時(shí)的電導(dǎo)高于反平行時(shí)的電導(dǎo)。通過(guò)施加外磁場(chǎng)可以改變兩鐵磁層的磁化方向, 從而使得隧穿電阻發(fā)生變化, 導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。

MTJs中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為

式中 和 N 分別為鐵磁金屬費(fèi)米面處自旋向上和自旋向下電子的態(tài)密度。

由 Julliere模型可以得到或者式中、分別為兩鐵磁層磁化方向平行和反平行時(shí)的隧穿電阻，、分別為兩鐵磁層電極的自旋極化率。顯然, 如果和均不為零, 則 MTJs中存在 TMR 效應(yīng)，且兩鐵磁層電極的自旋極化率越大，TMR 值也越高。

在研究中，不同的學(xué)者對(duì) TMR值的定義不同, 有的學(xué)者采用(2)式的定義, 但最近幾年, 大部分學(xué)者都采用(3)式的定義。