基于隧穿磁阻磁强计的软物理不可克隆函数设计

隧穿磁阻(TMR)传感器相比于其他类型磁阻传感器功耗更低、灵敏度更高、可靠性更好,在军事和民用等领域有着广阔的应用前景。该文针对TMR传感器的微弱信号检测和安全防护等问题,提出一种高精度TMR传感器读取专用集成电路(ASIC)和提取传感器物理不可克隆函数(PUF)特性的设计方案。该方案通过设计前端低噪声仪表放大器和高精度模数转换器,并结合斩波技术和纹波抑制技术,实现高精度信号读取和模数转换;利用具备数字输出功能的TMR磁强计比较不同传感器零位偏差,采用多位随机平衡算法完成TMR磁强计的软PUF设计,可产生128 bit PUF响应。TMR传感器读取ASIC利用上海华虹0.35μm CMOS工艺完成流片,并测试磁强计功能和TMR-PUF性能。实验结果表明,在5V电源电压下,TMR磁强计系统功耗约10 mW,噪底可达–140 dBV,3次谐波失真–107 dB;TMR-PUF的唯一性达到47.8%,稳定性为97.85%,与相关文献比较性能优异。

基于隧穿磁阻效应的宽频微小量程电流传感器设计及噪声分析

针对电网中微弱电流的测量需求,研制了基于隧穿磁阻效应的百μA级无接触式微电流传感器,并对微电流传感器进行低噪声设计,包括电源模块、放大模块、调零和输出模块。测试了采用不同传感芯片传感器的微弱电流探测能力,其最小可测电流幅值为280μA,对应传感器的带宽达10 kHz。并对传感器系统各模块的噪声水平进行了测量分析与计算,结果表明隧穿磁阻芯片的1/f噪声(低频噪声)是限制传感器最小可测电流幅值的主要因素。该微电流传感器可以适应智能电网微弱电流测量需求。

基于隧穿磁阻效应的多点电晕放电磁场传感及定位

电晕放电的检测及定位对于电网设备的稳定运行至关重要。为此针对多个点对板形式的电晕放电进行了磁场传感测量及定位研究,基于隧穿磁阻传感器设计并制作了双轴磁场传感测量装置,通过传感测量装置对电晕放电脉冲电流产生磁场的响应,实现对电晕电流及其磁场的测量。应用电晕电流的定位算法,得到多个点对板的电晕放电点位置,定位计算误差稳定在10%左右,表明了测量方法及定位算法的可行性。该测量方法及算法考虑了电晕电流的特点,合理利用了隧穿磁阻传感器的测量优势,为电气设备的电晕放电检测提供了新的思路及可靠手段。

栅控电势磁性隧道结的隧穿磁阻研究

基于Slonczewski理论模型和矩阵方法研究了由栅控制中间层电势高度的磁性隧道结的隧穿磁阻效应。数值计算了中间层势垒为0~3 V以及中间层势阱为0~3 V的磁性隧道结的隧穿磁阻随着中间层厚度改变的变化曲线。计算结果表明，当中间层为势垒时，隧穿磁阻随着中间层厚度单调下降；当中间层为势阱时，隧穿磁阻随着中间层厚度振荡，并且相比于势垒情况时明显提高。这说明栅控中间层磁性隧道结相比于传统磁性隧道结具有更好的可控性和提高隧穿磁阻效应的潜力。

双势垒抛物势阱磁性隧道结隧穿磁阻及自旋输运性质的研究

采用相干量子输运理论和传递矩阵的方法,在抛物势阱磁性隧道结(F/PW/F)的铁磁和半导体势阱间插入另一种半导体作为势垒,构造具有双势垒的抛物势阱磁性隧道结作为研究对象,研究了抛物势阱宽度、自旋轨道耦合效应、角度效应及插入势垒厚度对隧穿磁阻及自旋输运性质的影响计算结果表明,通过适当调节Rashba自旋轨道藕合强度和插入势垒的厚度,可以实现隧穿磁阻(TMR)的调制,能获得较大的TMR值,这些特点有助于促进新型磁性隧道结的开发和应用.

铁磁/绝缘(半导体)/铁磁隧穿结中的隧穿磁阻

在二带模型的基础上，借助于Ａｉｒｙ函数，利用传递矩阵方法，求出了隧穿结中的隧穿电导和隧穿磁阻随电场的变化关系，对实验现象给出了很好的解释．

隧穿磁阻传感器研究进展

传感器作为物联网技术的基石,在人们的生产生活中发挥着重大作用.其中,基于隧穿磁阻效应(tunneling magnetoresistance,TMR)的磁传感器具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等优点,在导航定位、生物医学、电流检测和无损检测等领域具有极大的应用前景.本综述以TMR传感器技术路线的发展为核心,囊括了从基本传感单元到三维空间磁场检测,再到实际应用的多个研究重点.首先,介绍了TMR传感器发展历程并阐明其基本工作原理,讨论了提高单个传感单元磁隧道结输出线性度的方法.接下来,详细介绍了传感器的重要电路结构—惠斯通电桥,以及制备TMR全桥结构的多种工艺方法.进一步,从三维空间磁场检测这一市场需求入手,深入讨论了基于TMR传感器的三维传感结构的设计和制备方法.同时,以传感器灵敏度和噪声水平这两大基本性能为切入点,列举了TMR传感器性能的优化方案.最后,本文对TMR传感器的应用展开了详细介绍,以自旋麦克风,生物传感器两个新兴应用为例,对TMR传感器未来在物联网中的发展和应用进行了展望.

基于隧穿磁阻效应的随器量测电流传感器研究

随器量测是能源互联网发展背景下低压电网新型感知量测业务的下沉。文章以隧穿磁阻材料为基础,研究了应用于随器量测场景的电流传感器技术,开展了传感器整体架构、聚磁系统、信号处理电路、低功耗供电单元和小型化结构的设计,并根据应用需求开展了环境适应性设计。试验结果表明,所研制的随器量测电流传感器在±25 A测量范围内的输出线性度良好,最大误差不超过1%,传感器在1 kHz范围内幅频响应误差在1%以内。所研究的传感器具有高灵敏度、小型化、高集成度的优点,能够为配电侧新型感知业务提供量测基础,进而为能源互联网数字化建设提供技术支撑。

隧穿磁阻(TMR)电流传感器失调与噪声消除技术

采用隧穿磁阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁性元件的电流传感器具有精度高、体积小、功耗低等优点,在泛在电力物联网全面感知系统建立中具有很好的应用前景。TMR电流传感器的低频噪声与失调电压会对监测精度造成严重影响。针对该问题,文章分析了TMR电流传感器低频电路磁电阻薄膜1/f噪声、电路热噪声以及电路不匹配造成的失调噪声,提出了2种噪声消除方法:硬件电路斩波技术抑制噪声和基于自动调零原理的数值式自校正方法。通过实验实测,提出的方法能够抑制零点漂移电压,为高精度TMR电流传感器在泛在电力物联网中的应用提供技术支撑。

γ-石墨炔基分子磁隧道结的输运性能

对γ-石墨炔进行剪切可以得到零维γ-石墨炔纳米点(γ-GYND),采用密度泛函理论和非平衡格林函数相结合的方法,利用γ-石墨炔纳米点和锯齿型石墨烯纳米带理论设计了三种连接方式的分子磁隧道结(MMTJ),并研究了这三种磁隧道结的输运性能。研究结果表明,γ-石墨炔纳米点和锯齿型石墨烯纳米带连接方式不同,所构建的几种分子磁隧道结输运性能不同,即随着电压的增加,三种分子磁隧道结中电流的变化趋势不同,虽然都观察到了明显的自旋过滤效应和巨磁阻效应,但自旋极化率和隧穿磁阻不同,其中隧穿磁阻最大可达10^(9)%量级,这一数值远高于传统磁隧道结,实验上这一数值只有18%。以上结果表明,γ-石墨炔纳米点和锯齿型石墨烯纳米带所组成的磁隧道结可以应用于自旋电子器件,也可用于通过改变电压或磁场信号得到相应的电流从而起到信息传递作用的分子传感器。

单晶二维材料势垒层磁性隧道结温度效应的理论研究

基于传统光学衍射理论构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论模型.该理论模型将单晶势垒层视作周期性的衍射光栅,所以可以计入单晶势垒层对隧穿电子散射产生的相干性.利用此理论,研究了单晶二维材料势垒层磁性隧道结的温度效应.理论结果表明,由于隧穿电子波为势垒层散射而具有强相干性,所以隧穿电阻和TMR会随温度非单调变化.这解释了已有的实验结果,并阐明了其物理机制.此外,还研究了晶格畸变对单晶二维材料势垒层磁性隧道结温度特性的影响.这些研究结果为优化单晶二维材料势垒层磁性隧道结的温度特性奠定了坚实的理论基础.

单晶二维材料势垒层磁性隧道结的偏压效应

基于Bethe理论和双束近似方法,构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论模型。该理论模型将单晶势垒层视作周期性光栅,因而可以充分地计入隧穿电子的相干性。进一步地,利用该理论计算了以单晶二维材料作为势垒层的磁性隧道结的偏压效应。根据计算结果,讨论了铁磁电极对偏压效应的影响以及偏压对厚度效应的影响。研究表明,由于单晶周期性势垒对隧穿电子散射导致透射电子波具有相干性,隧穿电导和TMR将随偏压振荡,且振荡的周期随铁磁电极半交换劈裂能的增大而增大。此外,研究结果还发现,当偏压低于100 mV时,偏压对隧穿磁阻效应的影响很小;当偏压显著增大时,隧穿电导和TMR随势垒层厚度振荡的振幅和频率均随之减小。

MoS_(2)势垒层磁性隧道结的温度-偏压特性研究

MoS_(2)是一种具有特殊能带结构的二维半导体材料,当层数较少时,其带隙会随层数显著减小。因此,基于MoS_(2)势垒层的磁性隧道结会展现出更丰富的物理特性。文章通过理论计算分别得到了单层、双层、三层以及五层MoS_(2)势垒层磁性隧道结的温度-偏压相图,研究了铁磁电极半交换劈裂能对相图特性的影响。计算结果表明:单层和三层MoS_(2)势垒层磁性隧道结适合应用于低温器件中。其中,单层MoS_(2)势垒层磁性隧道结在高功率工作环境下具有优异的性能。双层MoS_(2)势垒层磁性隧道结的优化区域位于室温和低偏压区,因此适用于信息存储领域。五层MoS_(2)势垒层磁性隧道结可通过调节铁磁电极参数使其工作在较宽的功率范围内。上述研究结果为MoS_(2)势垒层磁性隧道结的应用奠定了坚实的理论基础。

MgO基磁性隧道结温度-偏压相图的理论研究

MgO基磁性隧道结是自旋电子器件研究的热点问题,其温度特性和偏压特性在实际应用中极其重要.因此,亟需在理论上计算得到MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.本文构建了适用于单晶势垒层磁性隧道结的理论.该理论将单晶势垒层视作周期性光栅,利用光学衍射理论处理势垒层对隧穿电子的衍射,因此可以很好地计入隧穿电子波的相干性.根据此理论,同时计入温度和偏压的影响计算了MgO基磁性隧道结的温度-偏压相图.理论结果表明,通过调节MgO基磁性隧道结的铁磁电极半交换劈裂能Δ、化学势μ以及势垒层周期势v(K_(h))可以优化其温度特性和偏压特性.该结果为MgO基磁性隧道结的应用提供了坚实的理论基础.

基于γ-石墨炔分子磁隧道结对称性依赖的输运性质

利用非平衡格林函数和密度泛函理论,研究不同类型γ-石墨炔分子磁隧道结(MMTJ)自旋极化输运特性的影响。磁隧道结以铁磁性的锯齿形石墨烯纳米带作电极。随着纳米带宽度变化,考虑γ-石墨炔的两种接触点,我们构造了8种有代表性的且具有不同对称性的隧道结。通过计算我们发现,对称性对磁隧道结的自旋输运起决定性作用。对于偶数碳链的锯齿形石墨烯纳米带,石墨炔的接触点位居于正中,这种结构的自旋极化输运性质远优于其它结构。比如在非常宽的偏压范围内都能达到100%的自旋极化率,且隧穿磁阻(TMR)高达3.7×10^(5),这表明该结构在自旋滤波器和自旋阀器件方面的应用潜力最大。与之形成对比的是,当耦合位置偏离锯齿形石墨烯纳米带的中心时,输运性质迅速变为普通电输运,相应的巨磁阻效应比最优对称结构约小4个数量级。

磁性隧道结隧穿电导和磁电阻的研究

针对由一平面磁性势垒隔开的两铁磁性金属电极构成的磁性隧道结,基于自由电子近似并利用传递矩阵方法计算了其零偏压下的隧穿电导、自旋极化率和隧穿磁阻比率,研究表明隧道结的磁结构对TC(隧穿电导)和TMR(隧穿磁阻)的值有很大的影响,当两磁性电极分子场方向相同,且都与势垒层分子场反平行时,TC数值达到最大,两者平行时,TC的数值最小,同时还分析了分子场的相对取向等对磁性隧道结自旋极化电子输运性质的影响。研究结果对自旋电子器件的设计具有一定的指导意义。

铁磁体/绝缘体(半导体)耦合双结中巨隧穿磁电阻

建立在二带模型的基础上,利用传递矩阵的方法计算了电场下铁磁体/绝缘体(半导体)耦合双结中的隧穿磁电阻.结果发现:在这种结构中存在着自旋极化的共振隧穿和振荡的巨隧穿磁电阻.磁电阻的最大值可达到90％.希望能够引起实验工作者的兴趣去设计自旋极化的共振隧穿仪器.同时,应用理论到铁磁体/绝缘体(半导体)单结的情况,得到的结果与实验测量相比是定性一致的.

基于单片TMR磁传感器的非侵入电流监测微系统

提出一种仅需单片单轴隧穿磁阻传感器且无需磁芯结构的低成本、非侵入式电流监测微系统。研究论证了磁阻传感器测量线缆电流的基本原理和关键点;设计了具备电缆限位功能的组合式结构,在确保磁场-电流传递关系可靠性的同时,避免了对传统聚磁结构及传感阵列的依赖,确保了测量的便捷和结构简单;设计了高集成度、低功耗的微系统硬件,并基于软件实现了精确测量和校准算法。基于工频市电的电气线路规范搭建了测试环境,开展了性能测试。结果表明,研制的电流监测微系统具有较高的线性度和重复性,在0~8 A测量范围内最大误差为1.5%,可达到国标0.5级标准,具有较好的长期稳定性和抗邻线电流干扰能力,适用于多数居民用电监测场景。

TMR电流传感器复杂电磁环境抗干扰技术研究

电流检测装置对于电网监测与控制具有重要意义,随着智能电网的发展,传统电流检测装置已难以满足实时在线检测、高精度故障诊断等发展新需求,采用TMR磁性元件的电流传感器具有精度高、温度特性好、体积小等优点,具有极好的发展应用前景。基于TMR元件结构分析了TMR电流传感器的特性和工作原理,针对TMR电流传感器受到的地环路干扰,提出了基于纵向扼流圈传输信号的抗干扰技术,并设计了一种电磁屏蔽结构来隔离外界电磁辐射干扰,为高精度TMR电流传感器在智能电网中应用提供了必要的技术支撑。

差分式TMR微弱电流传感器设计及其应用研究

为满足电力系统内变压器铁芯接地电流等微弱电流测量应用需求,文章开展差分式隧道磁阻技术(tunnel magneto-resistance,TMR)微弱电流传感器研究,基于双端差分式测量模式可抗外部磁场干扰的原理,设计包含聚磁体、磁阻芯片,差分放大电路、模数转换电路、主控单元电路、数据传输电路和电源电路等结构的TMR微弱电流传感器。测试结果表明,在±2.5 A测量范围内传感器的输出线性度良好,最大误差不超过1%±1 mA,分辨力不小于1 mA。在外部低频干扰情况下,相较于单端测量模式,双端差分测量模式可大幅降低干扰影响。所研究的传感器具有较好的线性度、精确度、抗外部干扰等优点,能够为电力系统新型感知业务提供量测基础,进而为能源互联网数字化建设提供技术支撑。