可以检测磁场的传感器有许多潜在的应用，例如，在复杂的医疗设备和运输系统的开发中。然而，迄今为止开发的大多数检测 3D 磁场的方法都需要多个传感器，这使得它们体积庞大且难以大规模实施。
考虑到这一点，华中科技大学纳米级节能器件与系统 (NEEDS) 实验室的研究人员着手开发一种可以单独检测 3D 磁场的单一自旋轨道扭矩 器件。他们设计的设备，发表在Nature Electronics 上的一篇论文中，受到他们之前工作的启发，基于 Ta/CoFeB/MgO(钽/钴-铁-硼/氧化镁)异质结构。
“我们过去的一篇论文于 2018 年发表在 IEEE IEDM 上，报告说增加写入电流密度可以逐渐降低磁铁的矫顽力，直到它达到零，”进行这项研究的研究人员之一龙游告诉 TechXplore。“随后，在AEM和APL 上发表的两篇论文中，我们提出电流和面内场通过畴壁运动对器件的 AHE 电阻进行连续调节。基于这些先前的工作，我们开始检测三个具有自旋轨道扭矩 (SOT) 设备的维 (3D)磁场。”
一种常用的 3D 磁场感应方法依赖于使用三个磁传感器，它们的感应方向沿三个坐标轴(x、y 和 z)有策略地排列。或者，一些研究人员采用了所谓的平面传感器，上面附有磁通导。
在他们的工作中，尤和他的同事探索了使用单个自旋轨道扭矩装置检测矢量磁场的可能性。他们使用的 Ta/CoFeB/MgO 异质结构通过 CoFeB 层中畴壁的位移来实现这一点，这可以调节所谓的异常霍尔效应电阻。
“根据与电流极性相关的驱动磁化动态或切换的不同对称特征，我们将面内 (IP) 和面外 (OOP) 场的贡献分开，并使用简单的方法，”你说。
矢量磁场由两个 IP 场分量(即，H x或 H y)和一个 OOP 场分量(H z)组成。这三种元素都可以在不同条件下导致 CoFeB 层中的畴壁 (DW) 运动，最终导致相关 AHE 电阻的调制。
您和他的同事使用电流/极性相关 DW 运动的不同对称特征推导出了测量的 AHE 电阻与矢量磁场的三个正交分量之间的关系。他们的分析表明，在某些范围内，这些关系是线性的。这最终使他们能够使用单个 SOT 设备实现 3D 磁场感应。
You和他的同事开发的传感设备对于IP领域的线性范围在-10和+10 Oe之间，对于OOP领域的线性范围在-4和+4 Oe之间。根据正负电流下RH曲线的对称特性，研究人员能够在x轴上收集正负电流密度下的两个AHE电阻值，他们将其称为R xy (+J x )和R xy (- J x )”
“如果用减法运算处理这两个 AHE 电阻值，从而消除 H z贡献，则可以获得仅由 H x分量贡献的净电阻，”您解释说。“如果将这两个值进行加法运算，就可以得到仅H z分量贡献的净电阻。同样，我们可以通过应用±J y得到仅H y分量贡献的净电阻。因此，可以知道通过组合 (H x , H y , H z )来确定矢量磁场的大小和方向。”
你和他的同事表明，线性 DW 位移与他们的设备在辅助恒流下测量的磁场之间存在相关性。这种过去很少研究的特定现象在他们实现单个 3D 矢量磁传感器中发挥了关键作用。
“我们的设备将其三个分量的贡献物理分离，实现矢量磁场的单设备检测，因此该设备不会出现测量的三个磁场分量不正交或不在同一空间位置的问题，“ 你说。“据我们所知，这是第一次有人使用单个设备实现 3D 矢量磁传感器，这一直是学术环境和电子行业面临的挑战。”
You和他的同事提出的简单结构和创新设计可以有许多有趣的应用。随着传统晶体管技术接近其物理极限，新的异构技术可能具有巨大价值，因为它们可以为开发速度更快、性能更好的设备开辟新的可能性。
“在这个领域付出了巨大的努力，已经实现了传感器、MEMS、光电子、射频和毫米波设备的集成，”尤说。“与使用三个或更多设备的传统方法相比，我们提出的基于自旋电子技术的 3D 传感器可以轻松集成到基于硅的芯片中。”
该研究可为新型自旋电子器件和集成电路的开发提供信息。此外，他们创建的 3D 磁场传感器可以有广泛的应用，例如支持创建新的物联网和 GPS 设备。
“未来，我们将用 MTJ 结构取代 AHE 异质结构，”尤说。“此外，我们正在设计和构建外围电路系统并设计合适的算法，以便我们的设备可以用于实际应用，例如导航和定位或异构集成技术和神经网络。”