基于新型磁电阻材料TaP的强磁场传感器

强磁场在超导体研究、标准电阻值标定、肿瘤细胞研究等方面具有重要应用，因此，对强磁场的测量和标定至关重要。强磁场探测的方法主要包括电磁感应法、磁光效应法和霍尔效应法。近年来，新兴的外尔半金属材料不断发展，这种材料在低温、强磁场的状态下具有优异的磁阻效应和线性不饱特性，这些特点使得基于外尔半金属磁电阻效应的强磁场传感器非常具有研究前景。

(资料图)

据麦姆斯咨询报道，来自三峡大学、华中科技大学等机构的研究人员针对强磁场的检测需求，设计了一种基于新型磁电阻材料外尔半金属TaP的强磁场传感器。该传感器测量范围为- 3 ~ 3 T，灵敏度为8.97 μV/Gs，噪声特性为2 mGs/√Hz@1 Hz，实际测量结果误差小、分辨率较高、噪声小，对于强磁场的测量有一定的实用价值。相关研究成果已发表于《传感器与微系统》期刊。

外尔半金属材料基本特性

外尔半金属材料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。TaP外尔半金属材料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。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。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，SdH振荡仅出现在低温下，随着温度的升高，振荡会逐渐消失。TaP由于其半金属特性，电子驰豫时间约为10 ~ 13 s，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。

强磁场传感器设计与测试

在研发基于TaP的磁场传感器时，研究人员选择了单晶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。

强磁场传感器的构造及实物如图1所示，为了更加准确地测量强磁场下敏感材料电阻的变化，研究人员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。

强磁场传感器构造及实物

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。研究人员通过双通道数字锁相放大器OE1022D采集输出信号，以提高信噪比，相比直流测量，其测量精度更高。

强磁场传感器性能测试与分析

通过实验测试，研究人员对传感器的灵敏度、噪声特性和测量范围进行了标定。实验结果表明：所设计的强磁场传感器灵敏度为8.97 μV/Gs，量程为± (0 ~ 3) T，噪声特性为2 mGs/√Hz@1 Hz；同时根据脉冲强磁场中心测量的结果，强磁场传感器的量程预计可提升为± (0 ~ 20) T。

强磁场传感器的输出性能曲线与拟合曲线

强磁场传感器的噪声功率谱密度

这项研究所设计的强磁场传感器拥有较高的精度和较宽的量程，输出磁场数据准确，未来有望在强磁场测量方面发挥重要应用价值。

论文信息：http://dx.doi.org/10.13873/J.1000-9787(2022)08-0071-05

关键词：