利用磁涡旋结构实现高性能磁传感器

一款具有涡旋状态磁性换能元件的磁传感器

据麦姆斯咨询介绍，许多现代技术应用均是基于磁性技术，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。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以实现磁信号转换的微结构铁磁薄膜元件（microstructured ferromagnetic thin-film element），但这些元件通常呈现非线性磁滞曲线，使得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

一旦施加外部磁场，这种所谓的换能元件（transducer element）就会改变其电行为；原子“罗盘针”，即原子磁偶极子（atomic magnetic dipoles）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

图中虚线处是刚性涡旋模型预测的临界磁场

在维也纳大学（University of Vienna）、克雷姆斯多瑙河大学（Danube University Krems）与英飞凌公司（Infineon AG）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》（Nature Electronics）。

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。Suss针对该重要协同作用补充道：“科学到应用的先决条件是建立科学与产业界之间的合作，在合作过程中，产业界既可以提供与实践紧密相连的问题，也可以为实现这些复杂的技术提供如净化间等技术设施。”