磁場傳感器大顯身手之際

材料牛注：GMR（巨磁阻效應）的發現由來已久，而利用這種效應做成的磁性傳感器在交通工具上用作轉速監測傳感器的歷史也不短了。但技術永無止境，最近德國的研究人員希望這種傳感器的性能可以再上一層樓，并具有更好的環境適應性。于是他們改進了這種傳感器的構造，并有針對性的進行了性能檢測及應用場景設計。

DESY（Deutsches Elektronen-Synchrotron）的科學家最近發現的一項技術為制造新一代磁場傳感器鋪平了道路。他們的技術能使原先在傳統應用中受到限制的傳感器的功能得到增強，并因此使傳感器能被應用于更多場合中。在Advanced Functional Materials中，研究人員公布了他們的詳細實驗步驟。

磁場傳感器，更準確地說，磁阻傳感器，是一種在日常生活中隨處可見的小型、高效、靈敏的傳感器。在汽車中，它們被應用于監測車輪轉速并將信息提供給ABS和ESP系統；在手機上，它們讀取硬盤上的數據；此外，它們還被應用于檢查金屬材料中的損傷。如此多樣的應用場合要求該類傳感器根據不同環境需求隨時進行調整。

磁阻傳感器具有微觀層級結構，由納米尺度的可變磁層與非磁層共同組成。當作用在這種多層結構上的磁場發生變化時，其電阻也隨之發生變化。雖然諾貝爾獎得主Albert Fert和Peter Grünberg發現的巨磁阻效應在傳感器領域已經掀起了一場革命，但仍存在一個問題：促發磁阻發生轉變的磁場強度是基本固定的。

DESY的研究人員已研發出一系列步驟，首次可使磁阻傳感器的性質受到控制。這些處理步驟令可促使磁性層發生變化的磁場強度得到精確的控制。除此之外，磁化方向的趨向，也叫易磁化軸，同樣可被任意調整。這樣產生的結果是，該新型傳感器的很多性質都可以通過特定步驟得到直接調節。

文章的主要作者，DESY里的Kai Schlage博士說：“在這之前，人們在應用傳感器時不得不受到環境的限制，而現在，我們可以根據根據環境對傳感器作出適應性調整。”

這項改進技術的建立基于斜入相沉積（OID）手段。這種單層材料處理手段可以在各種基底材料上對磁性材料進行修飾。沉積的角度同樣可在大范圍內進行精確調整，并提供了一種簡單的途徑在0.5毫特斯拉到50特斯拉范圍內選擇促發磁阻效應的磁場強度，這個磁場強度范圍恰好跟地磁場自身強度范圍相近。

DESY的研究人員發現上述處理步驟不止可用于單層材料上，還可被創造性地運用于極多層結構系統上，由此顯著增強了多層磁性結構系統設計的靈活性和功能性。研究人員為此在真空中特意制造了一些此類結構。物理學家們之后利用DESY的同步加速器輻射源PETRA III進行了一項實驗，以精確測量其中各層的磁性相關性質，希望借此證明OID足以制造任意復雜程度的結構，并同時保證極高的精確度。

對于磁性傳感器而言，這意味著在沿用跟以往相同的材料及厚度標準情況下，制造出的微觀層堆結構卻擁有完全不同新特性質。

“我們的處理手段使傳感器傳遞的信息更精確及易于處理，因此轉速檢測比往昔有了很大進步，明顯地改善了交通工具引擎控制系統的安全性能，特別是處于極端情況時。”研究組組長Ralf R?hlsberger教授說道。

該研究團隊已經為這項技術設計了一些應用場景，并在努力發掘其在工業界聯營企業所蘊含的商業價值。

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DESY，全稱Deutsches Elektronen-Synchrotron，是德國領先的加速研究中心。作為德國亥姆霍茲研究中心聯合會的成員之一，它受德國聯邦教育與研究部（BMBF，占90%）、漢堡和勃蘭登堡兩州（占10%）的資助。臨近柏林，坐落于漢堡措伊滕的DESY在此地修建運行了一個大型粒子加速器，以此研究物質結構。DESY的光子科學和粒子物理在歐洲都是非常領先的。

原文鏈接：Magnetic sensors made to measure。

文獻鏈接：Spin-Structured Multilayers: A New Class of Materials for Precision Spintronics。

本文由編輯部丁菲菲提供素材，梁嘉豪編譯， 點我加入材料人編輯部。