每日訊息!基于新型磁電阻材料TaP的強磁場傳感器

強磁場在超導體研究、標準電阻值標定、腫瘤細胞研究等方面具有重要應用，因此，對強磁場的測量和標定至關重要。強磁場探測的方法主要包括電磁感應法、磁光效應法和霍爾效應法。近年來，新興的外爾半金屬材料不斷發展，這種材料在低溫、強磁場的狀態下具有優異的磁阻效應和線性不飽特性，這些特點使得基于外爾半金屬磁電阻效應的強磁場傳感器非常具有研究前景。

據麥姆斯咨詢報道，來自三峽大學、華中科技大學等機構的研究人員針對強磁場的檢測需求，設計了一種基于新型磁電阻材料外爾半金屬TaP的強磁場傳感器。該傳感器測量范圍為- 3 ~ 3 T，靈敏度為8.97 μV/Gs，噪聲特性為2 mGs/√Hz@1 Hz，實際測量結果誤差小、分辨率較高、噪聲小，對于強磁場的測量有一定的實用價值。相關研究成果已發表于《傳感器與微系統》期刊。

(資料圖)

外爾半金屬材料基本特性

外爾半金屬材料巨大的不飽和磁電阻效應在低磁場下表現出磁電阻與磁場的二次方關系，在高磁場下表現出磁電阻與磁場的線性關系。TaP外爾半金屬材料在高磁場下磁電阻與磁場的線性關系，使得傳感器擁有線性的輸出特性，探測強磁場的準確性更高。外爾半金屬本身存在著各向異性，當磁場與電流的夾角發生變化時，材料的磁電阻也會發生相應的變化。TaP在低溫強磁場下，會出現一種電阻率的振蕩現象，被稱為Shubnikov de Haas（SdH）振蕩，SdH振蕩僅出現在低溫下，隨著溫度的升高，振蕩會逐漸消失。TaP由于其半金屬特性，電子馳豫時間約為10 ~ 13 s，所以電子輸運響應外場的速率非常快，可以響應磁場頻率高達太赫茲（THz）級。

強磁場傳感器設計與測試

在研發基于TaP的磁場傳感器時，研究人員選擇了單晶TaP材料，敏感方向與（001）法線方向一致，幾何形狀選擇長條形薄片，這樣可以有效增大材料的電阻，提高輸出電壓信號的大小。

強磁場傳感器的構造及實物如圖1所示，為了更加準確地測量強磁場下敏感材料電阻的變化，研究人員將傳感器設計為四電極接線的形式，傳感器兩端提供一個交流電流輸入，中間兩端輸出一隊差分電壓信號，不僅可以提高測試精度，還可以大大減少外部噪聲的干擾。樣品粘接在硅基片上，使用導電銀漿接出四電極，通過導線與外部電路連接。

強磁場傳感器構造及實物

由于傳感器輸出電壓信號較小，很容易受到各種干擾噪聲的影響，甚至被干擾噪聲給淹沒，因此在檢測傳感器輸出信號時，需要采用一定的技術手段。研究人員通過雙通道數字鎖相放大器OE1022D采集輸出信號，以提高信噪比，相比直流測量，其測量精度更高。

強磁場傳感器性能測試與分析

通過實驗測試，研究人員對傳感器的靈敏度、噪聲特性和測量范圍進行了標定。實驗結果表明：所設計的強磁場傳感器靈敏度為8.97 μV/Gs，量程為± (0 ~ 3) T，噪聲特性為2 mGs/√Hz@1 Hz；同時根據脈沖強磁場中心測量的結果，強磁場傳感器的量程預計可提升為± (0 ~ 20) T。

強磁場傳感器的輸出性能曲線與擬合曲線

強磁場傳感器的噪聲功率譜密度

這項研究所設計的強磁場傳感器擁有較高的精度和較寬的量程，輸出磁場數據準確，未來有望在強磁場測量方面發揮重要應用價值。

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