磁性隧道结的特性及其在直线位移传感器中的应用

【摘要】磁性隧道结(MTJ)在读头和磁性随机存储器(MRAM)、磁性传感器等方面中具有良好的应用前景,因而被广泛研究。而MTJ在传感器等方面的应用,要求MTJ的隧道磁电阻(TMR)传输曲线具有无磁滞以及低噪声的特性。因此,对MTJ磁性能以及噪声特性的研究,具有重要的意义。本论文研究了CoFeB自由层厚度和退火温度对CoFeB/MgO/CoFeB结构MTJ性能(包括矫顽力和TMR传输曲线)的影响；研究了偏置电流以及外界磁场对MTJ的噪声性能的影响；研究了永磁体(PM)磁场对MTJ性能的影响。位移测量在工业应用中是十分重要的,因此位移传感器的设计是十分有意义的。模拟出一种单调磁场,将其与MTJ的TMR传输曲线特点相结合,设计出了基于TMR效应的直线位移传感器。论文内容主要分两部分：一、分析了退火温度对MTJ性能的影响,分析了PM磁场对MTJ性能的影响,分析了偏置电流以及外加磁场对MTJ噪声性能的影响：(1)在退火温度为240℃至320℃范围内,CoFeB自由层厚度小于15.1A的MTJ的TMR传输曲线表现出无磁滞性,对于CoFeB自由层为16.2A和17.4A的MTJ来说,只有当退火温度增加到380℃后,回线才表现出无磁滞性；MTJ的TMR传输曲线无磁滞性出现的原因是：当自由层厚度小于临界厚度或者退火温度达到一定值时,CoFeB自由层发生了从铁磁性向超顺磁性的转变；将超顺磁性的理论与MTJ的输出模型相结合,验证了这一结论的正确性；(2)在垂直于TMR灵敏度方向加PM磁场,可以有效减小TMR的磁滞。(3)MTJ的低频噪声主要为1/f噪声；随着偏置电流的增加,MTJ的噪声增大；MTJ噪声的Hooge常数(αH)与通过MTJ中的偏置电流大小无关；MTJ的1/f噪声包括电噪声和磁噪声,当外磁场足够大使MTJ自由层磁化趋近饱和时,MTJ的1/f磁噪声会减小甚至消除,此时器件的噪声主要表现为电噪声。二、将TMR性能与磁场模拟相结合,设计出了TMR直线位移传感器,并对其性能进行了计算分析：(1)推导出了单方向磁化的方形磁铁在空间产生的磁场的表达式；(2)仿真模拟出了可以在空间产生单调磁场和均匀磁场的磁铁排布,用于和TMR芯片相结合,以设计直线位移传感器；(3)用TMR芯片制备出了线性度为1.6%,灵敏度为25.4mV/mm的直线位移传感器；(4)通过在垂直于TMR灵敏度方向上加PM磁场,有效减小了TMR磁滞,从而降低了传感器的迟滞大小。
【作者】王锐；
【导师】曹江伟；
【作者基本信息】兰州大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】MTJ；退火；PM磁场；噪声；直线位移传感；

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