基于新型磁电阻材料TaP的强磁场传感器设计

2022-08-30步远恒夏正才易立志潘礼庆

传感器与微系统 2022年8期

王磊,步远恒,谭超,夏正才,易立志,潘礼庆

(1.三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌 443002;2.华中科技大学国家脉冲强磁场中心,湖北武汉 443074;3.三峡大学理学院,湖北宜昌 443002)

0 引言

强磁场作为现代社会实验测量的三种极端条件之一,在各种实验中发挥了重要作用。在磁场的作用下,物质的特性会发生改变,使之出现全新的物质状态,因此利用强磁场对物质进行调控,能发现新现象、揭示新规律,为多学科的交叉研究提供新机遇[1]。目前,强磁场在超导体研究[2],标准电阻值标定[3],肿瘤细胞研究[4]等多方面都有重要应用,因此,对强磁场的测量[5]和标定是及其重要的意义。

在强磁场探测领域,目前主要使用的方法有电磁感应法[6,7]、磁光效应法和霍尔效应法[8]三种。同时,近年来新兴的外尔半金属材料在强磁场下展现出的巨大线性不饱和磁阻效应也非常适合应用于强磁场检测领域。外尔半金属材料在低温、强磁场的状态下,有着几十万甚至几百万的磁阻变化率[9],而且目前在最高60 T的强磁场下都没有发生饱和的现象[10],如此高的磁阻变化率和不饱和特性使得探测强磁场的精度以及探测范围都大大提高；同时,线性的磁阻变化率使得探测强磁场的误差减小,准确度大幅度上升。这些特点使得基于外尔半金属磁电阻效应的的强磁场传感器非常具有研究前景。

本文基于外尔半金属TaP单晶材料,研究设计了一种强磁场传感器,能够检测强磁场的大小,测量范围广,准确性高,应用前景广阔。根据需求不同,待测目标磁场为静磁场或高频脉冲磁场应用,可以分别设计成基于锁相放大测量技术的静磁场测量传感器和基于直流输入/直流输出的高频脉冲强磁场测量技术。因为TaP的半金属特性,其电子驰豫时间约为10-13s,所以电子输运响应外场的速率非常快,可以响应磁场频率高达太赫兹(THz)级。传感器采用锁相放大技术,可显著提高信噪比大小,相比直流测量,其测量精度更高。

1 外尔半金属材料基本特性

1.1 磁电阻效应原理

磁电阻效应一般是指在确定条件下,材料的阻值随磁场的变化而变化的现象。表征材料磁电阻效应大小的物理量一般为MR

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根据磁电阻效应的具体产生原理不同,一般又分为正常磁电阻效应、各向异性磁电阻效应、巨磁电阻效应、隧道结磁电阻效应。正常磁电阻效应源于磁场对电子作用的洛伦兹力；各向异性磁电阻效应源于自旋—轨道耦合导致的散射截面不同；巨磁电阻效应源于两铁磁层的自旋散射；隧道结磁电阻效应源于电子的隧穿效应。而外尔半金属材料的巨大的不饱和磁电阻效应原理与以上4种原理都不相同。

目前,外尔半金属的巨大的不饱和磁电阻效应在低磁场下表现出磁电阻与磁场的二次方关系,在高磁场下表现出磁电阻与磁场的线性关系,该效应的潜在物理原理仍然没有被完全解释清楚,仍存在多种不同的原理模型来解释,主要包括载流子双带模型和量子磁阻。在电子和空穴的双带模型中,其说明半金属材料的磁电阻与磁场的关系呈现出抛物线形,并且磁电阻逐渐会在高场下饱和,但是外尔半金属WTe2和TaP的磁电阻分别在高达60 T和56 T的磁场中都没有饱和现象的发生。因此双带模型不适合用于高场下的磁电阻；根据量子磁阻的概念,具有小费米口袋和低有效质量的半金属和单晶金属的磁电阻在磁场中表现为线性,因此，本文使用量子磁阻来解释外尔半金属磁电阻与磁场的线性变化关系。

根据双带模型,外尔半金属在低磁场中的电阻率[11]为

(2)

因此,低场下的磁电阻[11]为

(3)

式中载流子迁移率与材料的载流子电荷量、平均碰撞时间和有效质量有关,磁场对迁移率的影响较小,因此在低磁场下,材料的磁电阻与磁场呈现出二次方关系。

根据量子磁阻模型,外尔半金属在高磁场中的电阻[12]率为

(4)

式中Ni为散射中心的密度,ε∞为背景介电常数,n0为电子密度,ħ为普朗克常数。

由于量子磁阻电阻率公式仅适用于高场模式下,材料在零场时的电阻率为一常数ρ0,因此,高场下的磁电阻为

(5)

分别使用双带模型和量子磁阻模型来解释外尔半金属TaP的磁电阻与磁场在低磁场下的二次方关系和在高磁场下的线性关系,该理论原理与本文的实验结果相符合。TaP在高磁场下磁电阻与磁场的线性关系,使得传感器拥有线性的输出特性,探测强磁场的准确性更高。

1.2 外尔半金属的各向异性

外尔半金属本身存在着各向异性,当磁场与电流的夹角发生变化时,材料的磁电阻也会发生相应的变化。当磁场完全垂直于电流,即电流与磁场之间的角度为90°时,材料在相同磁场下的磁电阻变化是最大的；随着磁场与电流的夹角逐渐变小,材料在相同磁场下的磁电阻变化越来越小。因此,强磁场传感器在探测磁场时要尽可能地确定强磁场传感器的方向,使之垂直于传感器探头,从而获得最大的输出信号,削弱噪声的影响。

1.3 外尔半金属TaP的SdH振荡现象

TaP在低温强磁场下,会出现一种电阻率的振荡现象,被称为Shubnikov de Haas(SdH)振荡。低温下,包含振荡部分的电阻率公式[13]为

ρxx=ρ0+Δρxx=ρ0[1+A(B,T)cos 2π(F/B+γ)]

(6)

式中A(B,T)为SdH振荡振幅,F=ħ/2eπAF为振荡频率,AF为与朗道指数n有关的费米面的横截面积,γ为Onsager因子。

低温磁场下的SdH振荡可以被用来确定电子和空穴的有效质量,区分多子和少子,但是该效应会使传感器感应磁场的输出结果出现严重偏差,这对于本文的传感器测试非常不利。但SdH振荡仅出现在低温下,随着温度的升高,振荡逐渐消失,这对于本文开发室温及相近温度的强磁场传感器是一个有利条件。

2 传感器设计与测试

2.1 磁敏单元特性与尺寸

外尔半金属TaP具有体心四方晶体结构,其空间群为I41md(No.109),不具有空间反演对称性。TaP在零磁场、室温下的电阻率约为0.3 μΩ·m,电阻率较低。在研发基于TaP的磁场传感器时,选择了单晶TaP材料,敏感方向与(001)法线方向一致,几何形状选择长条形薄片,这样可以有效增大材料的电阻,提高输出电压信号的大小。TaP单晶打磨后，其尺寸如下:长为3 mm,宽为1.5 mm,厚为1 mm,根据式(1)和R=ρl/s即可计算出样品电阻。通过XRF测试,测得材料组分为:84.1 %Ta,13.4 %P,2.3 %As,TaP原子比接近1︰1。

2.2 磁敏单元特性测试

2.2.1 标准强磁场环境下TaP磁电阻特性测试

磁敏感材料TaP的磁电阻性能通过使用Verselab仪器的电输运测量模式进行测量。在室温条件下,将样品固定在电输运测量基座上,通过仪器产生一个大小为-3～3 T,垂直于样品基座的外磁场,通入幅值为5 mA的测试电流,外磁场沿c轴方向垂直于沿ab轴方向的测试电流,仪器测试样品电阻值在磁场下的变化,磁电阻变化曲线如图1所示。

根据图1可以得出:TaP在-1～1 T的低磁场范围内,磁电阻与磁场呈现出二次方关系；在1～3 T以及-1～-3 T的高磁场范围内,磁电阻与磁场呈现出线性关系;TaP磁电阻变化率在0～3 T磁场范围内为48 %,具有较高的强磁场灵敏特性。

图1 TaP磁电阻变化曲线

为了确定电流热效应对TaP是否存在影响,通过施加大电流进行正反行程重复测量来进行测试。对TaP施加5 mA的测试电流,进行的正反行程重复测量总时长达2 h,两条曲线完全重合,如图2所示。

图2 热效应曲线

电流热效应并没有对测量结果造成太大影响,可见磁敏感材料导热性好,细微的温度变化不会造成测量误差。

2.2.2 脉冲强磁场环境下TaP磁电阻特性测试

为了更进一步确定磁敏感材料TaP在高强磁场下的磁电阻变化以及不饱和特性,在国家脉冲强磁场科学中心进行脉冲强磁场测试。国家脉冲强磁场科学中心的脉冲强磁场的磁场强度高,最大可达到90.6 T；脉宽窄,一般为十几毫秒到几十毫秒,变化速度非常快；在脉冲磁体工作时,首先向电容器充电,然后放电开关闭合给磁体供电,产生强磁场[14]。

对TaP施加±20 T脉冲强磁场以及260～340 K均匀变化的温度,得到磁电阻的温度变化曲线,如图3所示。从图中可以看出,在±20 T的脉冲强磁场范围内,TaP在各个温度上的磁电阻都有着较大的变化率,且没有出现任何饱和的迹象；在温度300 K、磁场20 T的情况下,磁电阻变化率MR=875 %。

图3 磁电阻的温度变化曲线

磁敏感材料在±20 T脉冲强磁场下的大磁电阻变化率和不饱和磁电阻数据测量,为本文设计的强磁场传感器拥有更明显地信号变化以及更大的测量范围提供了充分的实验证明；同时,磁敏感材料在均匀温度区间内的电阻以及磁电阻变化为进一步的温度补偿提供了数据支持。

2.3 传感器温度补偿方法

基于磁敏感材料TaP设计的强磁场传感器在探测磁场时会受到外界温度造成的影响,从图4中可以看出,在磁场不变的情况下,随着温度的逐渐升高,磁敏感材料的磁电阻呈现出一个逐渐减小的趋势。

适宜气候：温暖湿润；年均气温10～20 ℃，1月份平均气温3～9 ℃，7月份平均气温24～28 ℃，极端最高气温低于35 ℃，极端最低气温高于0 ℃，年均降水量600～1 200 mm，年平均日照600～1 200 h[7]。

图4 磁电阻温度变化曲线

本文通过固定温度,测量传感器在不同的固定温度下的输出信号作为标准输出,做出对应固定温度的拟合曲线。实际测试时通过确定温度大小选取对应温度的拟合曲线来计算测试的强磁场数值大小,以此来减小外界温度剧烈变化时,传感器输出信号波动造成的磁场测试误差。

2.4 传感器结构设计

强磁场传感器的构造及实物如图5所示,为了更加准确地测量强磁场下敏感材料电阻的变化,将传感器设计为四电极接线的形式,传感器两端提供一个交流电流输入,中间两端输出一队差分电压信号,不仅可以提高测试精度,还可以大大减少外部噪声的干扰。样品粘接在硅基片上,使用导电银浆接出四电极,通过导线与外部电路连接。

图5 强磁场传感器构造及实物

3 传感器信号检测

由于传感器输出电压信号较小,很容易受到各种干扰噪声的影响,甚至被干扰噪声给淹没,因此在检测传感器输出信号时,需要采用一定的技术手段。本文使用锁相放大技术检测微弱信号。

锁相放大技术是通过相敏检波器和与微弱输入信号频率相同的参考信号,将微弱信号从噪声中提取出来。假设混有噪声的输入信号和参考信号为:SI(t)=AIsin(ωt+φ)+B(t),SR(t)=ARsin(ωt+δ),ω为待测信号的频率,AIsin(ωt+φ)为待测信号,B(t)为噪声。两路信号输入相敏检波器中,进行相关运算。由于噪声中包含很多不同频率的信号,因此，得到的输出结果中包含很多个和频信号合一个差频信号。参考信号与输入有效信号频率完全一致,差频信号变成一直流信号,经过窄带低通滤波器抑制频率信号后,输出一个直流信号

(7)

但输入信号与参考信号的相位差将会影响输出信号的准确性,而这个相位差有时却无法避免；因此,为了保证输出信号的准确性,采用了双相位锁相放大器。

在双相位锁定放大器的结构中,输入信号不变,参考信号分两路,一个相位不变,另一个相位经过90°相移,此时,经过相敏检波器和低通滤波器后输出,再进行均方根运算输出结果

(8)

双相位锁定放大器完美避开了相位差对输出信号的影响,保证了输出信号的准确性。

本文使用OE1022D双相锁相放大器来采集传感器输出的微弱信号,OE1022D可以采取差分模式测试电压,其输入阻抗达10 MΩ,在四电极接线的基础上可以避免导线电阻干扰和环境噪声干扰；动态储备为最大为100 dB,可以从比信号大100 000倍的噪声中提取信号。

4 实验与分析

4.1 实验平台搭建

搭建实验测试平台对强磁场传感器的性能指标进行标定和测试。实验室搭建的测试平台包括振动样品磁强计,吉时利6221交流源表,OE1022D双相锁相放大器。

4.2 输出特性测试

通过VersaLab测试系统软件控制外加磁场的大小,施加-3～3 T的磁场,在此磁场范围内,进行正反行程的数据测试,外加磁场间隔为0.1 T,使用吉时利6221交流源表为传感器提供交流电流,通过双相锁相放大器OE1022D采集输出差分电压信号,根据测出的数据,做出磁场传感器的输出性能曲线。结果显示,传感器在±3 T磁场范围内表现出相同的输出结果曲线,对测试结果进行分段拟合,传感器的输出性能曲线及拟合曲线如图6所示。在±(0～1)T的磁场范围内,多项式拟合方程为:y=56.35x2；在±(1～3)T的磁场范围内,线性拟合方程为:y=110.33x-66.70。