TMR磁场传感器中低频噪声的抑制研究

基于TMR效应的磁场传感器具有灵敏度高、体积小、功耗和造价低等优点，它在现代工业及人类生活中的应用前景非常广阔。但在一些高分辨率的应用领域，例如生物磁信号探测、太空磁场测量等，目前的TMR磁场传感器的分辨率等指标还不能满足要求，关键的问题是TMR传感器的组成单元- - -磁性隧道结的噪声太高，尤其是在测量静态或低频磁场时出现的低频噪声。本项目通过测量MgO磁性隧道结的噪声，分析、总结低频噪声产生原因，在微磁学模拟的基础上，完善磁性隧道结中磁性低频噪声产生机制的理论模型，进而从材料选择、制备工艺和结构设计三个方面来抑制噪声，最后采用噪声特性优化后的MgO磁性隧道结制备惠斯通电桥结构的磁场传感器并研究磁通聚集器对其噪声特性的影响。预期研究成果对提高TMR磁场传感器的分辨率、扩大其应用领域、推动其产业化具有重要的意义。

本项目在TMR（Tunnel MagnetoResistance）磁性传感器的制备、噪声测量与分析、TMR传感器应用等方面取得了一系列有价值的进展。具体的成果主要包括：（1）在超薄自由层磁性隧道结结构中获得了高TMR和线性输出响应，并且磁场灵敏度和饱和磁化场可控，理论分析证明其线性输出特性起源于超薄自由层中的超顺磁性；（2）在Ta/CoFeB/MgO结构中获得了强的垂直各向异性，为垂直磁性隧道结的制备打下了基础；（3）使用自行搭建的噪声测量系统分析了TMR磁性传感器中的噪声来源，在其低频段1/f噪声在自由层翻转过程中急剧增大，证实了磁性1/f噪声是TMR磁性传感器中的主要噪声来源；（4）基于输出特性和噪声特性优化的磁性传感器，开发了一系列商业化TMR磁性传感器。