隧穿磁电阻效应磁场传感器中的噪声分析及降低噪声的方法*

刘 斌，谢明玲，员朝鑫，强 进，王向谦

（甘肃省科学院传感技术研究所，甘肃 兰州 730000）

0 引言

在地磁异常和弱磁场检测时，传感器是否抗低频噪声是决定磁传感器测量极限的一个关键参数。目前对低于1 nT的磁场检测主要用磁通门法[1]、光泵法[2]及超导量子干涉器件法[3]来实现，但这些磁传感器普遍具有体积大、成本高、功耗高等缺点。隧穿磁（TMR）传感器因具有体积小和灵敏度高等优势，成为近几年来国内外磁传感器研究的热门，可用于工业控制、汽车电子、信息技术、航空航天、军工等各个领域[4-6]，但由于TMR 传感器噪声较大，一直难以用于微弱磁场测量领域[7]。TMR传感器通常由多个磁隧道结（MTJ）串联形成磁敏电阻，再通过微加工工艺将串联的磁敏电阻连接可形成一个惠氏通电桥，这种结构不仅使传感器能够抑制共模噪声信号，而且还能使传感器电阻具有很好的温度特性。

1 隧穿磁敏传感器噪声分析

具有惠斯通电桥结构的TMR磁传感器，由于组成电桥的四个桥臂具有相同的结构及噪声来源，因此磁噪声功率与单个桥臂的噪声功率相同。在MTJ磁敏单元中，噪声来源主要有散粒噪声、磁热噪声、电子1∕f噪声和磁1∕f噪声[8]，通常这几种噪声互不相干，因此器件的总噪声是这几种噪声的总和。其中磁热噪声、散粒噪声是MTJ 传感器中背景噪声（白噪声）的主要组成部分，与器件的频率无关。在低频下MTJ传感器的噪声主要为1∕f噪声，如果能够降低或抑制1∕f噪声，则可以使磁传感器的微弱磁场探测水平大大提高。

MTJ磁敏单元的磁噪声功率SB可表示为：

1.1 散粒噪声

散粒噪声是电子隧穿通过绝缘层MgO 时的不均匀散射导致[9]，在MTJ中表示为：

式中：N为结个数，e为电子电荷，I为通过MTJ结的电流，RJ为结电阻，VJ为单个结上的工作电压，kB为波尔兹曼常数，T为温度。在室温下，当结电压小于50 mV时，由于电子非常难以穿透绝缘层，MTJ的噪声则为单纯的热噪声，则：

低结电阻时，电子难以穿过隧穿层，MTJ的结电阻非常大，其磁阻率也非常低，因此MTJ 的工作电压通常要高于50 mV。高结电压下，结的电阻为RJ=，[RAP]隧道结电阻的面积，A为MTJ 的结面积，则：

由于传感器的灵敏度可以表述为：

则器件的散粒噪声功率为：

式中：B为磁感应强度，V为器件的工作电压，Hsat为饱和磁场强度，△R为电阻的变化量，R为MTJ的平均电阻，A为MTJ的结面积。

1.2 磁热噪声

磁传感器中自由层是一个多畴结构，磁畴的状态不是非常稳定[10]。自由层在磁化过程中的不规则磁化会引起磁噪声，单个MTJ 结磁热噪声功率可以表示为：

式中：Ω为自由层的体积，χ″（f）为磁导率的虚数部分，μ0为真空磁导率。通常用于描述自由层在外磁场下磁化过程中的能量损耗，为环境热扰动与材料的磁化强度矢量的相互作用。在磁性材料中，至少有2 种机制对χ″（f）有贡献，一种是自由层磁畴的非均匀磁化（热磁噪声）过程，另外一种是材料中的波纹磁化态具有亚稳态特性（磁1∕f噪声），热涨落效应使得磁畴在亚稳态间磁化翻转。由于MTJ 的工作频率远低于铁磁共振频率，则：

式中：αG为内禀吉尔伯特阻尼，Hk为自由层的各向异性场大小，MS、γ、ω为分别为材料的饱和磁化强度、电子的旋磁比、角频率；带入式（6）中，

则由N个MTJ 串联形成的TMR 单元的电阻磁热噪声功率谱密度为：

1.3 电子1/f噪声

电子1∕f噪声普遍存在于各种电子器件当中，在TMR 传感器中，其与电阻中电子的缺陷运动、隧道结中的电荷阱和电极的磁化震荡相关。这种噪声主要起源于器件在制造过程中的工艺缺陷，如器件宽度的不规则、薄膜厚度的非均匀性、材料中的缺陷等，与器件结构及制造工艺相关，可表达为：

式中：N为结个数，f为器件的工作频率，αelect为Hooge参数，I为工作电流，Rj为MTJ的电阻，A为MTJ的结面积，f为传感器的工作频率。αelect为电子1∕f噪声对应的阻尼因子是一个与器件结构相关联的物理常数，在TMR 传感器中每一个MTJ 的参数相同，但是对于不同结构的MTJ，材料结构状态，结尺寸不同，则该参数数值不同。

1.4 磁1/f噪声

磁性材料中磁畴具有很多亚稳态磁化态，而MTJ的自由层非单畴结构，在磁化过程中，部分磁畴会在这些磁化亚稳态之间跳转。由于这种磁化态势垒之间具有一定统计分布，这种磁化状态翻转具有1∕f噪声的特点：

式中：χ′为磁化率实部。在这个式子中，Ms是与外加磁场无关的磁场量，是材料的本征特性，在低场（线性范围内）、低频率下（＜10kHz），χ′和χ″与外加磁场呈线性关系，则令

αmag是和Hooge常数相似的参数，常用实验获得该常数，Hsat是MTJ的饱和磁场大小。

1.5 系统的总噪声

总和上述模型系统的总噪声可以表述为：

式中：Hsat为传感器的饱和磁场，ΔR/R为磁隧道结的磁阻率，N为单个电桥串联的隧道结个数，VJ为传感器结电压，e为电子电荷，RAP为隧道结的电阻面积，A为MTJ的结面积，kB为波尔兹曼常数，T为传感器工作温度，αG为内禀吉尔伯特阻尼，μ0为真空磁导率，Ω为自由层的体积，γ为电子的旋磁比，MS为材料的饱和磁化强度，αelect为Hooge参数，αmag是和Hooge常数相似的参数，f为传感器的工作频率。

2 降低TMR磁传感器噪声的方法

根据MTJ磁敏单元的噪声分析，TMR传感器的噪声与传感器的结构、材料工艺及工作条件等相关。在低频时TMR传感器的噪声主要由1∕f噪声构成，可以近似表述为：

可见：MTJ中的材料厚度、结面积、结个数，自由层材料类型等都对器件的噪声有影响。目前MTJ传感器的低频噪声在1 nT∕Hz@1Hz～30 nT∕Hz@1Hz范围内。通过斩波技术、磁通聚集器调制等方式，使得传感器工作在相对较高的频率（kHz），则可以极大地抑制1∕f噪声。因此磁隧道结磁敏单元工作在高频范围内时，则1∕f噪声可以忽略，传感器的噪声主要为离散噪声和磁热噪声，总噪声可以表示为：

因此，降低TMR传感的噪声可以通过优化设计传感器结构、改变传感器制作工艺、使传感器工作在高频工作频率方式来降低噪声。

2.1 传感器结构对噪声影响

根据公式（14）和（16）分析，TMR 磁传感器中，传感器的噪声与器件的结构密切相关联。对于TMR多层膜结构，材料的磁阻率ΔR/R越高、自由层厚度越厚，自由层的饱和磁化强度Ms越大则传感器的噪声越低。目前在TMR材料中，自由层常选用磁化率χ′比较大的NiFe、CoFe、CoFeB 等材料[11]，特别是非晶态的CoFeB 与MgO 体系结构[12]，TMR 磁阻率可以达到200%。

对于MTJ磁敏单元，MTJ结的自由层厚度、大小及结构形状决定了磁敏单元中自由层材料的总体积Ω，根据上述分析可以看到：（1）磁隧道结中噪声与传感器的灵敏度成反比，即高磁阻率及低饱和磁场（高灵敏度）有利于降低传感器中噪声；（2）噪声大小与自由层的厚度及结构大小成反比；（3）磁隧道结中噪声与串联的磁敏单元个数成反比；（4）磁隧道结中噪声与隧道结的隧穿电阻成正比。为降低磁隧道结中的噪声，主要通过磁隧道结材料结构选择（获得高磁阻率）、高质量的磁敏感材料制备及传感器电桥式多个电阻串联设计等方面实现。

2.2 材料制备工艺降低噪声

噪声特别是器件1∕f噪声主要来源于器件制造过程的缺陷，退火工艺是改善材料性能常用技术之一。研究表明，在一定磁场及温度范围内长时间退火可以使MTJ 中的缺陷减少，磁效应增大，噪声降低。在磁场退火过程中CoFeB 层和MgO 层可以结晶化形成良好的（100）晶面，还可以消除MgO 中的针孔缺陷，同时也可以明显降低MTJ 材料的中的缺陷。过低的退火温度不能使CoFeB 晶化，而过高的退火温度又会引起严重的层间扩散，破坏样品，合适的退火时间保证CoFeB有充分的时间完成晶化过程。实验已经证明TMR 的变化是和CoFeB 的结晶体积随时间的变化相关的，值得注意的是噪声和TMR 均会随着退火温度和时间变化，且减小和增大，但是噪声的变化稍微滞后于TMR的变化。Liou等[13]尝试了在7T的强磁场下对MTJ进行退火，并在氢气氛围中对MTJ 进行二次退火，结果表明这种特殊的退火方式均使得M TJ 的低频噪声下降。

2.3 斩波技术

根据分析结果，在低磁场下TMR传感器的噪声主要是1∕f噪声，如果使传感器工作在高频磁场范围则可以使极大地降低1∕f噪声，使传感器的噪声水平降低。此类情况通常可以利用斩波技术来实现。

斩波技术是降低磁传感中噪声常用的方法[13]，常用的斩波有3种：正交斩波、平行斩波和磁通聚集器斩波。通过对偏置带施加交变电流产生交变磁场，并作用于MTJ 磁敏感传感器，将传感器的工作磁场由直流磁场调制到交变磁场，然后通过检测输出端的二次谐波分量来实现磁场检测的目的。

通过斩波技术，Jander 等[14]证明了施加适当的交变偏置磁场，可以达到调制TMR 工作频率的目的，同时可以降低传感器1∕f噪声。在Luong 等[15]实验中，使用的商用TMR 传感器的噪声为3.8 nT∕√Hz@1Hz，在5 kHz 的正弦波及方波斩波频率下，传感器的噪声降低到0.3 nT∕Hz@1Hz，通过改变不同的频率，最低可使传感器的噪声降低到0.17 nT∕√Hz@1Hz。使用斩波技术，传感器的低频噪声基本与频率关联不大，如不采用斩波技术，传感器的噪声为10 nT∕√Hz@0.1Hz，使用斩波技术，在0.1 Hz频率下TMR传感器的噪声也只有0.17 nT∕√Hz。

2.4 MEMS磁通聚集器

磁通聚集器是通过软磁材料制作而成，磁传感器位于磁通聚集器中的间隙部位，磁传感器测量到的磁场大小与磁通聚集器的相对位置相关，磁通聚集器通过机械方式以一定频率振动的时候，则会对外磁场进行调制，使磁传感器工作在高频范围。在前期的研究中磁通聚集器主要通过机械式马达驱动振动，这种方式由于机械振动频率通常较低（＜1 kHz），可以使传感器的噪声水平下降10～100 倍，使TMR传感器的噪声小于100 pT∕√Hz。

近几年，随着微加工技术进步，MEMS磁通聚集器也变得容易实现。研究者通过MEMS工艺制备了磁通聚集器来降低TMR磁传感器的1∕f噪声[16]。他们在TMR传感器单元两侧制备磁通聚集器，通过连接在磁通聚集器上的微型弹簧片的震动带动磁通聚集器震动，从而周期性地改变施加在TMR传感器上的磁场大小，达到改变磁场频率的目的，通过磁通聚集器相对距离来改变TMR 的工作磁场频率可以将TMR传感器的1∕f噪声水平降低103倍，可以使TMR传感器噪声降低到1 pT∕√Hz@1Hz。

2.5 交变电流激励

采用交变电流激励方式，可以从一定程度上抑制GMR磁阻传感器的1∕f噪声[17]。但在TMR传感器中，由于普通的交变电流激励无法改变自由层的磁化状态，只能抑制传感器的电子1∕f噪声。而TMR传感器中，1∕f噪声中磁1∕f占有很大比例，用这种方法可以降低TMR传感器的噪声，但无法显著降低噪声。但TMR传感器中，由于器件的自由层通常采用CoFeB 材料，这种材料在特定交变电流激励下会出现有垂直各向异性，通过合适的交变电压激励下，可以使器件的1∕f噪声降到器件本身的1∕10。

3 结论

TMR 传感器具有饱和场低、灵敏度高、温度稳定性高等特点，可以用于低磁场测量、磁异常检测等领域，但由于其噪声较大，特别是1∕f噪声较高，限制了其在微弱磁场测量应用的分辨能力。分析了TMR传感器自身的噪声起源及数学模型，分析了散粒噪声、电子1∕f噪声、磁1∕f噪声及磁热噪声的频率特性，并指出TMR传感器的低频噪声主要表现为器件的1∕f噪声。进而分析了目前降低1∕f噪声的主要技术手段。优化材料结构和器件设计、优化制作工艺、使用斩波、使用磁通聚集器或MEMS磁通聚集器及交变电流激励等方式，均可降低TMR传感器的噪声。当前采用的除磁聚集器之外的优化手段都极大地增加了器件的成本，且效果有限。MEMS 磁聚集器在降低TMR器件噪声方面最为有效，可以将1∕f噪声压制103倍，使TMR磁传感器的噪声低于10 pT∕√Hz@1Hz。未来，进一步降低TMR 传感器的噪声的主要思路为提高MEMS 聚集器的设计和工艺水平，提高降噪效果，使得噪声接近1 pT∕√Hz@1Hz水平。