单个自旋轨道扭矩设备可感应3D磁场

可以检测磁场的传感器具有许多潜在的应用，例如在先进的医疗设备和运输系统的开发中。但是，迄今为止开发的大多数用于检测3D磁场的方法都需要多个传感器，这使其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设备和系统(NEEDS)实验室的研究人员着手开发一种可以单独检测3D磁场的单个自旋轨道设备。他们设计的设备基于Ta / CoFeB / MgO(钽/钴铁硼硼/氧化镁)异质结构，发表在《自然电子》上的一篇论文中，并得到了他们以前的工作的启发。

“我们过去的一篇论文于2018年在IEEE IEDM上发表，报告说增加写电流密度可以逐渐降低磁体的矫顽力，直到达到零为止，”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，我们建议电流和面内磁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，我们着手检测三个自旋-轨道-转矩(SOT)设备的三维(3D)磁场。”

感测3D磁场的常用方法依赖于三个磁性传感器的使用，其感测方向沿三个坐标轴(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，并在其上连接了磁通量导向器。

您和他的同事们在他们的工作中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。他们设计的Ta / CoFeB / MgO异质结构是通过CoFeB层中畴壁的位移实现的，从而可以调节所谓的反常霍尔效应电阻。

“根据与电流极性相关的驱动磁化动态或开关的不同对称特性，我们分离了平面内(IP)和平面外(OOP)磁场的贡献，并使用3D磁场实现了3D磁场感应简单的方法，”您说。“我们首先通过施加正电流和负电流，根据RH曲线的对称性，建立AHE电阻与H x，H y，H z之间的关系。”

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。当使用自旋轨道转矩(SOT)施加正电流和负电流时，这三个元素会导致CoFeB层中的不同畴壁(DW)运动，最终导致相关AHE电阻的调制。

您和他的同事得出了测得的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，在一定范围内，这些关系是线性的。随后，他们使用电流/极性相关的DW运动的不同对称特性来分离IP和OOP字段的贡献。最终，这使他们能够使用单个SOT设备实现3D磁场感测。

由You和他的同事开发的传感设备，对于IP场，线性范围为-10至+10 Oe，对于OOP场，线性范围为-4至+4 Oe。基于正负电流下RH曲线的对称性，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，分别称为R xy(+ J x)和R xy(- J x)。”

您解释说：“如果通过减法运算处理这两个AHE电阻值，从而消除了H z贡献，则可以获得仅由H x分量贡献的净电阻。” “如果将两个值进行加法运算，则可以获得仅由H z分量贡献的净电阻。同样，我们可以通过应用±J y来获得仅由H y分量贡献的净电阻。因此，人们可以知道通过合成(H x，H y，H z)来确定矢量磁场的大小和方向。”

您和他的同事表明，线性DW位移与他们的设备在辅助恒定电流下测量的磁场之间存在相关性。过去很少进行研究的这种特殊现象在实现单个3D矢量磁传感器中起着关键作用。

“我们的设备从物理上分离了其三个分量的贡献，以实现对矢量磁场的单设备检测，因此，所测量的三个磁场分量不正交或不在相同的空间位置这一事实不会损害其性能， “ 你说。据我们所知，这是有人第一次使用单个设备实现3D矢量磁传感器，这在学术环境和电子行业都面临着挑战。”

尤和他的同事们提出的简单的结构和创新的设计可能具有许多有趣的应用。随着常规晶体管技术接近其物理极限，诸如这些研究人员开发的设备之类的新技术可能具有巨大的价值，因为它们可以为开发更快，性能更好的设备开辟新的可能性。

您说：“在这一领域，我们付出了巨大的努力，已经实现了传感器，MEMS，光电，RF和毫米波设备的集成。” “与使用三个或更多器件的传统方法相比，我们基于自旋电子技术的3D传感器可以轻松集成到基于Si的芯片中。”

该研究可以为新型自旋电子器件和集成电路的发展提供信息。此外，他们创建的3D磁场传感器可能具有广泛的应用范围，例如能够创建新的IoT和GPS设备。

您说：“将来，我们将用MTJ结构代替AHE异质结构。” “此外，我们正在设计和构建外围电路系统，并设计一种合适的算法，以便我们的设备可以在实际应用中使用，例如导航和定位或异构集成技术和神经网络。”

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