隧穿磁電阻效應(yīng)磁場傳感器中的噪聲分析及降低噪聲的方法*

劉 斌，謝明玲，員朝鑫，強(qiáng) 進(jìn)，王向謙

（甘肅省科學(xué)院傳感技術(shù)研究所，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在地磁異常和弱磁場檢測時，傳感器是否抗低頻噪聲是決定磁傳感器測量極限的一個關(guān)鍵參數(shù)。目前對低于1 nT的磁場檢測主要用磁通門法[1]、光泵法[2]及超導(dǎo)量子干涉器件法[3]來實現(xiàn)，但這些磁傳感器普遍具有體積大、成本高、功耗高等缺點。隧穿磁（TMR）傳感器因具有體積小和靈敏度高等優(yōu)勢，成為近幾年來國內(nèi)外磁傳感器研究的熱門，可用于工業(yè)控制、汽車電子、信息技術(shù)、航空航天、軍工等各個領(lǐng)域[4-6]，但由于TMR 傳感器噪聲較大，一直難以用于微弱磁場測量領(lǐng)域[7]。TMR傳感器通常由多個磁隧道結(jié)（MTJ）串聯(lián)形成磁敏電阻，再通過微加工工藝將串聯(lián)的磁敏電阻連接可形成一個惠氏通電橋，這種結(jié)構(gòu)不僅使傳感器能夠抑制共模噪聲信號，而且還能使傳感器電阻具有很好的溫度特性。

1 隧穿磁敏傳感器噪聲分析

具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的TMR磁傳感器，由于組成電橋的四個橋臂具有相同的結(jié)構(gòu)及噪聲來源，因此磁噪聲功率與單個橋臂的噪聲功率相同。在MTJ磁敏單元中，噪聲來源主要有散粒噪聲、磁熱噪聲、電子1∕f噪聲和磁1∕f噪聲[8]，通常這幾種噪聲互不相干，因此器件的總噪聲是這幾種噪聲的總和。其中磁熱噪聲、散粒噪聲是MTJ 傳感器中背景噪聲（白噪聲）的主要組成部分，與器件的頻率無關(guān)。在低頻下MTJ傳感器的噪聲主要為1∕f噪聲，如果能夠降低或抑制1∕f噪聲，則可以使磁傳感器的微弱磁場探測水平大大提高。

MTJ磁敏單元的磁噪聲功率SB可表示為：

1.1 散粒噪聲

散粒噪聲是電子隧穿通過絕緣層MgO 時的不均勻散射導(dǎo)致[9]，在MTJ中表示為：

式中：N為結(jié)個數(shù)，e為電子電荷，I為通過MTJ結(jié)的電流，RJ為結(jié)電阻，VJ為單個結(jié)上的工作電壓，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。在室溫下，當(dāng)結(jié)電壓小于50 mV時，由于電子非常難以穿透絕緣層，MTJ的噪聲則為單純的熱噪聲，則：

低結(jié)電阻時，電子難以穿過隧穿層，MTJ的結(jié)電阻非常大，其磁阻率也非常低，因此MTJ 的工作電壓通常要高于50 mV。高結(jié)電壓下，結(jié)的電阻為RJ=，[RAP]隧道結(jié)電阻的面積，A為MTJ 的結(jié)面積，則：

由于傳感器的靈敏度可以表述為：

則器件的散粒噪聲功率為：

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，V為器件的工作電壓，Hsat為飽和磁場強(qiáng)度，△R為電阻的變化量，R為MTJ的平均電阻，A為MTJ的結(jié)面積。

1.2 磁熱噪聲

磁傳感器中自由層是一個多疇結(jié)構(gòu)，磁疇的狀態(tài)不是非常穩(wěn)定[10]。自由層在磁化過程中的不規(guī)則磁化會引起磁噪聲，單個MTJ 結(jié)磁熱噪聲功率可以表示為：

式中：Ω為自由層的體積，χ″（f）為磁導(dǎo)率的虛數(shù)部分，μ0為真空磁導(dǎo)率。通常用于描述自由層在外磁場下磁化過程中的能量損耗，為環(huán)境熱擾動與材料的磁化強(qiáng)度矢量的相互作用。在磁性材料中，至少有2 種機(jī)制對χ″（f）有貢獻(xiàn)，一種是自由層磁疇的非均勻磁化（熱磁噪聲）過程，另外一種是材料中的波紋磁化態(tài)具有亞穩(wěn)態(tài)特性（磁1∕f噪聲），熱漲落效應(yīng)使得磁疇在亞穩(wěn)態(tài)間磁化翻轉(zhuǎn)。由于MTJ 的工作頻率遠(yuǎn)低于鐵磁共振頻率，則：

式中：αG為內(nèi)稟吉爾伯特阻尼，Hk為自由層的各向異性場大小，MS、γ、ω為分別為材料的飽和磁化強(qiáng)度、電子的旋磁比、角頻率；帶入式（6）中，

則由N個MTJ 串聯(lián)形成的TMR 單元的電阻磁熱噪聲功率譜密度為：

1.3 電子1/f噪聲

電子1∕f噪聲普遍存在于各種電子器件當(dāng)中，在TMR 傳感器中，其與電阻中電子的缺陷運動、隧道結(jié)中的電荷阱和電極的磁化震蕩相關(guān)。這種噪聲主要起源于器件在制造過程中的工藝缺陷，如器件寬度的不規(guī)則、薄膜厚度的非均勻性、材料中的缺陷等，與器件結(jié)構(gòu)及制造工藝相關(guān)，可表達(dá)為：

式中：N為結(jié)個數(shù)，f為器件的工作頻率，αelect為Hooge參數(shù)，I為工作電流，Rj為MTJ的電阻，A為MTJ的結(jié)面積，f為傳感器的工作頻率。αelect為電子1∕f噪聲對應(yīng)的阻尼因子是一個與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的物理常數(shù)，在TMR 傳感器中每一個MTJ 的參數(shù)相同，但是對于不同結(jié)構(gòu)的MTJ，材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)，結(jié)尺寸不同，則該參數(shù)數(shù)值不同。

1.4 磁1/f噪聲

磁性材料中磁疇具有很多亞穩(wěn)態(tài)磁化態(tài)，而MTJ的自由層非單疇結(jié)構(gòu)，在磁化過程中，部分磁疇會在這些磁化亞穩(wěn)態(tài)之間跳轉(zhuǎn)。由于這種磁化態(tài)勢壘之間具有一定統(tǒng)計分布，這種磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)具有1∕f噪聲的特點：

式中：χ′為磁化率實部。在這個式子中，Ms是與外加磁場無關(guān)的磁場量，是材料的本征特性，在低場（線性范圍內(nèi)）、低頻率下（＜10kHz），χ′和χ″與外加磁場呈線性關(guān)系，則令

αmag是和Hooge常數(shù)相似的參數(shù)，常用實驗獲得該常數(shù)，Hsat是MTJ的飽和磁場大小。

1.5 系統(tǒng)的總噪聲

總和上述模型系統(tǒng)的總噪聲可以表述為：

式中：Hsat為傳感器的飽和磁場，ΔR/R為磁隧道結(jié)的磁阻率，N為單個電橋串聯(lián)的隧道結(jié)個數(shù)，VJ為傳感器結(jié)電壓，e為電子電荷，RAP為隧道結(jié)的電阻面積，A為MTJ的結(jié)面積，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為傳感器工作溫度，αG為內(nèi)稟吉爾伯特阻尼，μ0為真空磁導(dǎo)率，Ω為自由層的體積，γ為電子的旋磁比，MS為材料的飽和磁化強(qiáng)度，αelect為Hooge參數(shù)，αmag是和Hooge常數(shù)相似的參數(shù)，f為傳感器的工作頻率。

2 降低TMR磁傳感器噪聲的方法

根據(jù)MTJ磁敏單元的噪聲分析，TMR傳感器的噪聲與傳感器的結(jié)構(gòu)、材料工藝及工作條件等相關(guān)。在低頻時TMR傳感器的噪聲主要由1∕f噪聲構(gòu)成，可以近似表述為：

可見：MTJ中的材料厚度、結(jié)面積、結(jié)個數(shù)，自由層材料類型等都對器件的噪聲有影響。目前MTJ傳感器的低頻噪聲在1 nT∕Hz@1Hz～30 nT∕Hz@1Hz范圍內(nèi)。通過斬波技術(shù)、磁通聚集器調(diào)制等方式，使得傳感器工作在相對較高的頻率（kHz），則可以極大地抑制1∕f噪聲。因此磁隧道結(jié)磁敏單元工作在高頻范圍內(nèi)時，則1∕f噪聲可以忽略，傳感器的噪聲主要為離散噪聲和磁熱噪聲，總噪聲可以表示為：

因此，降低TMR傳感的噪聲可以通過優(yōu)化設(shè)計傳感器結(jié)構(gòu)、改變傳感器制作工藝、使傳感器工作在高頻工作頻率方式來降低噪聲。

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)對噪聲影響

根據(jù)公式（14）和（16）分析，TMR 磁傳感器中，傳感器的噪聲與器件的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)聯(lián)。對于TMR多層膜結(jié)構(gòu)，材料的磁阻率ΔR/R越高、自由層厚度越厚，自由層的飽和磁化強(qiáng)度Ms越大則傳感器的噪聲越低。目前在TMR材料中，自由層常選用磁化率χ′比較大的NiFe、CoFe、CoFeB 等材料[11]，特別是非晶態(tài)的CoFeB 與MgO 體系結(jié)構(gòu)[12]，TMR 磁阻率可以達(dá)到200%。

對于MTJ磁敏單元，MTJ結(jié)的自由層厚度、大小及結(jié)構(gòu)形狀決定了磁敏單元中自由層材料的總體積Ω，根據(jù)上述分析可以看到：（1）磁隧道結(jié)中噪聲與傳感器的靈敏度成反比，即高磁阻率及低飽和磁場（高靈敏度）有利于降低傳感器中噪聲；（2）噪聲大小與自由層的厚度及結(jié)構(gòu)大小成反比；（3）磁隧道結(jié)中噪聲與串聯(lián)的磁敏單元個數(shù)成反比；（4）磁隧道結(jié)中噪聲與隧道結(jié)的隧穿電阻成正比。為降低磁隧道結(jié)中的噪聲，主要通過磁隧道結(jié)材料結(jié)構(gòu)選擇（獲得高磁阻率）、高質(zhì)量的磁敏感材料制備及傳感器電橋式多個電阻串聯(lián)設(shè)計等方面實現(xiàn)。

2.2 材料制備工藝降低噪聲

噪聲特別是器件1∕f噪聲主要來源于器件制造過程的缺陷，退火工藝是改善材料性能常用技術(shù)之一。研究表明，在一定磁場及溫度范圍內(nèi)長時間退火可以使MTJ 中的缺陷減少，磁效應(yīng)增大，噪聲降低。在磁場退火過程中CoFeB 層和MgO 層可以結(jié)晶化形成良好的（100）晶面，還可以消除MgO 中的針孔缺陷，同時也可以明顯降低MTJ 材料的中的缺陷。過低的退火溫度不能使CoFeB 晶化，而過高的退火溫度又會引起嚴(yán)重的層間擴(kuò)散，破壞樣品，合適的退火時間保證CoFeB有充分的時間完成晶化過程。實驗已經(jīng)證明TMR 的變化是和CoFeB 的結(jié)晶體積隨時間的變化相關(guān)的，值得注意的是噪聲和TMR 均會隨著退火溫度和時間變化，且減小和增大，但是噪聲的變化稍微滯后于TMR的變化。Liou等[13]嘗試了在7T的強(qiáng)磁場下對MTJ進(jìn)行退火，并在氫氣氛圍中對MTJ 進(jìn)行二次退火，結(jié)果表明這種特殊的退火方式均使得M TJ 的低頻噪聲下降。

2.3 斬波技術(shù)

根據(jù)分析結(jié)果，在低磁場下TMR傳感器的噪聲主要是1∕f噪聲，如果使傳感器工作在高頻磁場范圍則可以使極大地降低1∕f噪聲，使傳感器的噪聲水平降低。此類情況通常可以利用斬波技術(shù)來實現(xiàn)。

斬波技術(shù)是降低磁傳感中噪聲常用的方法[13]，常用的斬波有3種：正交斬波、平行斬波和磁通聚集器斬波。通過對偏置帶施加交變電流產(chǎn)生交變磁場，并作用于MTJ 磁敏感傳感器，將傳感器的工作磁場由直流磁場調(diào)制到交變磁場，然后通過檢測輸出端的二次諧波分量來實現(xiàn)磁場檢測的目的。

通過斬波技術(shù)，Jander 等[14]證明了施加適當(dāng)?shù)慕蛔兤么艌?，可以達(dá)到調(diào)制TMR 工作頻率的目的，同時可以降低傳感器1∕f噪聲。在Luong 等[15]實驗中，使用的商用TMR 傳感器的噪聲為3.8 nT∕√Hz@1Hz，在5 kHz 的正弦波及方波斬波頻率下，傳感器的噪聲降低到0.3 nT∕Hz@1Hz，通過改變不同的頻率，最低可使傳感器的噪聲降低到0.17 nT∕√Hz@1Hz。使用斬波技術(shù)，傳感器的低頻噪聲基本與頻率關(guān)聯(lián)不大，如不采用斬波技術(shù)，傳感器的噪聲為10 nT∕√Hz@0.1Hz，使用斬波技術(shù)，在0.1 Hz頻率下TMR傳感器的噪聲也只有0.17 nT∕√Hz。

2.4 MEMS磁通聚集器

磁通聚集器是通過軟磁材料制作而成，磁傳感器位于磁通聚集器中的間隙部位，磁傳感器測量到的磁場大小與磁通聚集器的相對位置相關(guān)，磁通聚集器通過機(jī)械方式以一定頻率振動的時候，則會對外磁場進(jìn)行調(diào)制，使磁傳感器工作在高頻范圍。在前期的研究中磁通聚集器主要通過機(jī)械式馬達(dá)驅(qū)動振動，這種方式由于機(jī)械振動頻率通常較低（＜1 kHz），可以使傳感器的噪聲水平下降10～100 倍，使TMR傳感器的噪聲小于100 pT∕√Hz。

近幾年，隨著微加工技術(shù)進(jìn)步，MEMS磁通聚集器也變得容易實現(xiàn)。研究者通過MEMS工藝制備了磁通聚集器來降低TMR磁傳感器的1∕f噪聲[16]。他們在TMR傳感器單元兩側(cè)制備磁通聚集器，通過連接在磁通聚集器上的微型彈簧片的震動帶動磁通聚集器震動，從而周期性地改變施加在TMR傳感器上的磁場大小，達(dá)到改變磁場頻率的目的，通過磁通聚集器相對距離來改變TMR 的工作磁場頻率可以將TMR傳感器的1∕f噪聲水平降低103倍，可以使TMR傳感器噪聲降低到1 pT∕√Hz@1Hz。

2.5 交變電流激勵

采用交變電流激勵方式，可以從一定程度上抑制GMR磁阻傳感器的1∕f噪聲[17]。但在TMR傳感器中，由于普通的交變電流激勵無法改變自由層的磁化狀態(tài)，只能抑制傳感器的電子1∕f噪聲。而TMR傳感器中，1∕f噪聲中磁1∕f占有很大比例，用這種方法可以降低TMR傳感器的噪聲，但無法顯著降低噪聲。但TMR傳感器中，由于器件的自由層通常采用CoFeB 材料，這種材料在特定交變電流激勵下會出現(xiàn)有垂直各向異性，通過合適的交變電壓激勵下，可以使器件的1∕f噪聲降到器件本身的1∕10。

3 結(jié)論

TMR 傳感器具有飽和場低、靈敏度高、溫度穩(wěn)定性高等特點，可以用于低磁場測量、磁異常檢測等領(lǐng)域，但由于其噪聲較大，特別是1∕f噪聲較高，限制了其在微弱磁場測量應(yīng)用的分辨能力。分析了TMR傳感器自身的噪聲起源及數(shù)學(xué)模型，分析了散粒噪聲、電子1∕f噪聲、磁1∕f噪聲及磁熱噪聲的頻率特性，并指出TMR傳感器的低頻噪聲主要表現(xiàn)為器件的1∕f噪聲。進(jìn)而分析了目前降低1∕f噪聲的主要技術(shù)手段。優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計、優(yōu)化制作工藝、使用斬波、使用磁通聚集器或MEMS磁通聚集器及交變電流激勵等方式，均可降低TMR傳感器的噪聲。當(dāng)前采用的除磁聚集器之外的優(yōu)化手段都極大地增加了器件的成本，且效果有限。MEMS 磁聚集器在降低TMR器件噪聲方面最為有效，可以將1∕f噪聲壓制103倍，使TMR磁傳感器的噪聲低于10 pT∕√Hz@1Hz。未來，進(jìn)一步降低TMR 傳感器的噪聲的主要思路為提高M(jìn)EMS 聚集器的設(shè)計和工藝水平，提高降噪效果，使得噪聲接近1 pT∕√Hz@1Hz水平。