电子基础材料 5

霍尔传感器1.磁场传感器需求强烈

全球磁场传感器市场预计将从2020年的25亿美元增长到2027年的40亿美元，复合年增长率（CAGR）>8%；智能电网、新能源、新能源车等领域对磁传感器需求强烈。智慧医疗新能源智慧交通智能电网智能家电位置探测，磁场导航，接近开关磁信号探测磁传感器衍生信号探测其他电流探测，角度探测，转速探测生物信号，深空探测，无损检测消费电子磁传感器市场规模预测（2022-2028）40亿USD2.磁传感芯片产业专利现状磁传感芯片已成为电力系统、工业制造、汽车工业、信息技术等产业的基石，而国内高端磁传感芯片70%以上依赖进口。目前，磁传感芯片受国外“卡脖子”情况严重，核心源专利掌握在欧美日企业手中，仅少量核心专利由我国掌握。磁传感芯片磁传感国际专利分布3.磁场传感器类型常见磁场传感器按大小分类按原理分类灵敏度体积（mm3）功耗（mW）探测极限（T）成本(USD$)集成度中大型磁场传感器SQUID-~106~104<

10-15>1K难集成OPM-~104~103<

10-15>1K小型磁场传感器光纤磁场传感器1pm/Oe10-103~100<10-7~100较难集成GMI<1000%~10~1001.5×10-11>1k微型磁场传感器Hall0.05mV/V/Oe~10-3~103×10-7~0.1易集成AMR0.5mV/V/Oe10-1–10-3~1010-10–10-8~5GMR1mV/V/Oe10-1–10-3~1010-9–10-8~20TMR1-20mV/V/Oe10-1–10-3~110-9–10-8~30ME100mV/Oe10-1–10-3010-12–10-9~1磁场传感器发展趋势：高灵敏度、低功耗、易集成、微型化4.霍尔效应原理1879年Hall通过实验发现霍尔效应1910年金属铋制成霍尔元件1950年霍尔传感器制造实验室型磁性测量仪器1960年Hall-effectICs1985年发现量子霍尔效应现在低成本、高灵敏度、智能、多功能的霍尔传感器4.霍尔效应原理霍尔效应：当电流通过导体或半导体材料，并在垂直于电流方向施加磁场时，材料两侧会产生一个横向的电压差，这种现象称为霍尔效应，产生的电压称为霍尔电压。4.霍尔效应原理载流子受力：电流中的载流子（如电子或空穴）在磁场中受到洛伦兹力作用，方向由左手定则决定；载流子偏转导致材料一侧积累电荷，形成横向电场。当横向电场力与洛伦兹力平衡时，霍尔电压稳定。5.基于半导体二维电子气的霍尔传感器二维电子气：在半导体异质结（如

GaAs/AlGaAs、GaN/AlGaN）界面处形成的极薄（纳米级）高迁移率电子层，电子被限制在二维平面内运动；工作原理：电流沿二维平面流动时，外加垂直磁场使电子受洛伦兹力偏转，形成霍尔电压。AlGaN/GaN异质结示意图以及光镜图6.霍尔传感器主要参数参数定义单位关键影响因素典型值范围（工业级）灵敏度单位磁场强度下的输出电压变化输出电压/(电源电压×磁感应强度)mV/(V·T)材料迁移率器件结构10~100mV/(V・T)（硅基）量程可测量的磁感应强度范围(从最小可检测磁场到饱和磁场)mT或T材料饱和磁通密度±10mT（弱磁场）~±20T（强磁场）零漂零磁场时的输出电压偏移(未校准状态下的初始误差)mV或

%FS制造工艺环境磁场干扰±0.1~±5mV（或±0.1%~±2%FS）温漂温度每变化1°C时，灵敏度或零漂的相对变化率%/°C或

ppm/°C材料禁带宽度灵敏度温漂：±0.1%/°C~±2%/°C滞回度磁场增加与减小时，同一磁场值对应的输出电压差异（反映磁滞特性）%FS磁芯材料＜1%FS（优质器件）~5%FS（普通）霍尔传感器的参数选择需结合具体应用场景：高精度测量关注灵敏度与零漂，极端环境优先温漂与量程，动态场景侧重滞回度与响应速度。7.反常霍尔效应原理反常霍尔效应（AnomalousHallEffect,AHE）是指在没有外加磁场的情况下，由于材料本身的磁化而产生的横向电压现象。AHE是由磁性金属中载流子的自旋轨道耦合作用导致的能级劈裂所引起的。对于铁磁金属而言，材料中既存在正常霍尔效应，又存在反常霍尔效应，可以表达为：ρxy：霍尔电阻率；MZ：自发磁化强度；R0：正常霍尔系数；RS：反常霍尔系数；正常霍尔效应原理示意图反常霍尔效应原理示意图8.反常霍尔效应原理反常霍尔效应的产生机制：散射-外禀霍尔效应；能带-内禀霍尔效应。散射-外禀机制又分为斜散射机制和边跳机制：

具有特定自旋方向的电子受到材料中杂质或缺陷的不对称散射，从而导致电子偏离而在横向积累电荷产生霍尔电压；

其霍尔系数RS正比于正常霍尔电阻率ρxx。斜散射机制边跳机制

自旋轨道耦合与自旋角动量和轨道角动量的夹角有关，铁磁材料内自旋方向不同的载流子受到散射时就会朝着相反的方向发生横向跳跃，从而产生横向霍尔电压；

其霍尔系数RS正比于正常霍尔电阻率的平方ρ2xx。8.反常霍尔效应原理反常霍尔效应的产生机制：散射-外禀霍尔效应；能带-内禀霍尔效应。能带-内禀机制忽略了材料内杂质和缺陷对载流子的散射情况，主要考虑了材料的能带结构。

综合以上三种机制，可以将反常霍尔电阻表达为：

ρxx0：剩余电阻率

α、β、b：斜散射、边跳机制、本征机制的系数。

铁磁材料在外加电场的作用下导致材料内自旋向上和自旋向下的电子占据能带数量不相等而产生了一个横向电流，从而产生反常霍尔效应；

其霍尔系数RS正比于正常霍尔电阻率的平方ρ2xx。9.反常霍尔传感器特点反常霍尔效应的霍尔电阻与材料的磁化强度成正比，且在零磁场或微小磁场下即可产生明显的霍尔电压，因此反常霍尔传感器能够检测到非常微弱的磁场变化，灵敏度较高；反常霍尔效应的产生依赖于特定的磁性材料，如铁磁性金属、磁性拓扑半金属等。不同材料的反常霍尔效应特性差异较大，因此需要根据具体的应用需求选择合适的材料，以获得最佳的传感器性能。反常霍尔效应的输出信号与材料的磁性特性密切相关，而磁性材料的磁性通常比较稳定，因此反常霍尔传感器的输出信号也具有较高的稳定性，不易受到外界环境因素的影响，如温度、湿度、振动等；高稳定性材料多样性高灵敏度10.反常霍尔传感器材料类型材料类型代表材料作用机制铁磁金属及合金Fe、Co、Ni坡莫合金（Ni₈₀Fe₂₀）FeCo、FeNiB合金等依赖材料自发磁化和自旋轨道耦合，载流子自旋极化在晶格散射中产生横向霍尔电压半金属与Heusler合金半金属（Co₂MnSi、Co₂FeAl）Heusler合金（如NiMnSb基合金）电子自旋高度极化（单一自旋通道导电），自旋相关散射增强AHE拓扑材料拓扑绝缘体（如Bi₂Se₃）拓扑半金属（如TaAs）利用拓扑保护表面态或能带反转，强自旋轨道耦合诱导巨大霍尔效应（低温量子化）二维材料及异质结构磁性二维材料（如Fe₃GeTe₂）异质结（如MoS₂/Fe₃GeTe₂）原子层厚度下强层间磁耦合与受限空间效应，外场调控磁性诱导二维霍尔效应其他新兴材料（研究阶段）锰氧化物有机磁性材料庞磁电阻效应关联霍尔效应；分子自旋排列诱导磁性磁电效应传感器磁电功能器件基于磁电复合材料的磁电耦合效应可以通过电场调控磁各向异性等方式显著降低器件中电调磁化翻转过程的关键电流密度，降低器件功耗，在开发新型低功耗电子信息器件方面展现出巨大潜力。这里介绍几种新型磁电功能器件，包括磁电随机存储器，电调谐微波器件、磁传感器以及磁电天线，如表1所列。磁电耦合形式具体原理磁电器件正磁电耦合效应通过对磁致伸缩材料施加磁场信号产生的应力对电极化进行调控磁场传感器、磁电天线逆磁电耦合效应通过对压电材料施加电场信号产生的应力对磁各向异性、磁相变温度、磁矩、磁自旋极化、磁交换偏置场、铁磁共振频率、磁阻和磁拓扑结构等多种参量的调控磁电随机存储器、电调微波功能器件表1不同磁电器件分类磁电式磁场传感器磁电式磁场传感器利用磁电复合材料的“磁电耦合效应”：当外界磁场变化时，磁性材料因磁致伸缩产生微小形变，这种形变通过界面传递给压电材料，压电材料因压电效应将机械形变转化为电信号（如电压变化），通过检测电信号即可反推磁场的强弱和变化，实现对磁场的高灵敏度探测。ScientificReports,2013,3:1985.图5(a)纳机电磁场传感器的示意图(直流磁场施加在传感器的长度方向)及其灵敏度和线性度;(b)环型电流传感器的示意图磁电式磁场传感器磁电式磁场传感器凭借高灵敏度、耐恶劣环境等特性，广泛应用于汽车的轮速检测、位置传感、电流监测及ADAS系统中，例如在ABS、变速箱、电机控制和电池管理中实现精准信号采集；随着电动汽车和自动驾驶技术的发展，其在集成化、低功耗、高精度方向的突破（如3D霍尔传感器、磁电耦合新型结构）将推动其在智能驾驶系统中的进一步应用，预计2025-2034年市场规模年复合增长率达6.99%。AppliedPhysicsLetters,2004,85(22):5305-5306.图6三层推拉式叠层磁电传感器示意图GMR传感器GMR传感器原理巨磁阻（GMR）效应一般是指在外磁场作用下纳米尺度的多层金属薄膜的电阻值会发生巨大改变的现象。在2007年，法国的A.Fert教授与德国的P.Grunberg教授由于在GMR效应领域的杰出贡献获得该年度诺贝尔物理学奖。自旋向上和自旋向下的电子散射率有较大差异上下两层铁磁层磁矩平行自旋相关散射比较弱上下两层铁磁层磁矩反平行自旋相关散射较强GMR的结构自旋阀结构一般能够抵抗较强外磁场干扰，且工作范围在零磁场附近，低场灵敏度相比传统多层膜结构的GMR器件有大幅提升，目前经常被应用在磁传感器领域。“铁磁层/非磁金属层/铁磁层”巨磁电阻结构引入了反铁磁钉扎层的自旋阀结构自旋阀GMR不同钉扎类型的自旋阀：顶钉扎（左）和底钉扎（右）自旋阀GMR传感器的结构反铁磁材料铁磁材料非磁性材料铁磁材料增强附着稳定性避免薄膜脱落形成较好的晶体织构避免氧化失效以及氧化腐蚀等造成的接触不良自旋阀GMR的制备GMR传感器一般通过将四组巨磁电阻器件按照特定排列组装在一起，构成惠斯通电桥结构，以获得较稳定的信号响应在1、2端口处施加一定大小的驱动电压，同时在3、4端口处采集输出电压信号线性GMR磁传感器线性GMR磁传感器具有推拉结构的惠斯通电桥惠斯通电桥线性输出曲线有效降低外界环境因素如温度等对传感器输出的影响，提升器件稳定性与灵敏度GMR传感器的应用自旋阀GMR电流传感器基于自旋阀GMR的IC电流监测传感器基于GMR效应的生物检测芯片基于GMR效应的肿瘤免疫检测仪GMR传感器的应用PDMS柔性基底上的GMR器件（左）与显微结构（右）可用于磁场/压力传感的GMR柔性电子皮肤结构（左）、工作原理（中）与实物图（右）GMR传感器的应用硬盘读头机械臂盘片读写头TMR传感器TMR原理及发展简介1975年，Julliere在Fe/Ge-O/Co结构中首次发现隧道磁阻(TMR)效应；随后发现了以AlOx和MgO为势垒层的隧道结中可以获得更高的TMR比值，其中以MgO为势垒层材料的隧道结研究不断取得突破性进展；目前室温下最高TMR比值为631%，低温为1144%。磁性隧道结(MTJ)隧穿时电子态密度示意图(a)MTJ结构;(b)TMR典型磁阻曲线当外界磁场作用时，自由层磁矩方向发生改变，与参考层磁矩形成平行或反平行状态。TMR原理及发展简介TMR效应：铁磁层/绝缘层/铁磁层结构中，磁矩相对取向改变了电子自旋相关隧穿概率。两磁性层F1与F2磁矩平行时，电子隧穿概率高，阻值表现为低阻态；反平行时，隧穿受抑制，阻值表现为高阻态。TMR原理及发展简介在晶体化的MgO势垒层和非晶化的AlOx势垒层中，电子隧穿情况不同。MTJ结构多电子态隧穿示意图：AlOx势垒（左）；MgO势垒（右）在多种电子中，Δ1

电子自旋极化率更高，其隧穿产生的阻值变化最大；非晶态AlOx不具备晶体对称性，这导致不同电子态的隧穿几率十分相近，故所有电子相同的隧穿导致了AlOx

结构相对较低的TMR比值；具备织构取向的MgO(100)可以对电子的对称性进行选择，仅余Δ1

产生明显的隧穿效应，故能得到较高的TMR比值。TMR器件基本结构与设计原理TMR传感器的核心结构：磁性隧道结(MTJ)。MTJ由参考层/绝缘层/自由层三部分构成，通过测量MTJ阻值变化，即可精准感知外界磁场。TMR采用与GMR相似的自旋阀结构，不同的是：①TMR两个铁磁层之间为绝缘层，而不是金属层；②TMR电流流向为垂直于薄膜结构，而不是平行于薄膜。TMR传感器常见的膜堆结构与其对应的常用材料两种自旋阀结构以及电流流向示意图

GMR单元(左)；TMR单元(右)相比较于GMR，TMR氧化物隧穿层的存在，使得基本原理从电子散射转变为电子隧穿，这导致了TMR传感器拥有更高的磁阻比率，更高的电阻，更低的功耗，不同的电流流经方式以及其对应的不同器件结构。TMR器件基本结构与设计原理TMR自旋阀结构对磁场的线性响应需要使自旋阀结构中的两铁磁层的磁矩自发相互垂直。方法①：形状各向异性方法②：永磁偏置将MTJ制成大长宽比的形状，通过形状各向异性产生的退磁场诱导自由层的磁化方向。在自由层两端添加永磁偏置，这种方法在工艺上并不容易实现，因而很少人使用。方法①和②为第一类方式，通过尺寸的设计、外置装置使自由层磁易轴方向与参考层垂直。TMR器件基本结构与设计原理TMR自旋阀结构对磁场的线性响应需要使自旋阀结构中的两铁磁层的磁矩自发相互垂直。方法③：弱被钉扎敏感层方法④：超顺磁敏感层在自由层上增加反铁磁层进行弱钉扎，通过反铁磁耦合诱导自由层磁化方向。通过降低自由层厚度形成超顺磁结构，这种结构具有极低的滞回。方法③和④为第二类方式，从材料本身入手；但是自由层厚度的减薄大大降低了TMR比值，进而降低了灵敏度。TMR器件基本结构与设计原理TMR自旋阀结构对磁场的线性响应需要使自旋阀结构中的两铁磁层的磁矩自发相互垂直。磁电耦合是磁场改变电极化或电场改变磁极化的一种物理现象；压电材料在外电场下会表现出可逆的电极化行为并发生形变。这种形变由于原子之间的结合力，而从压电材料传递至相邻的铁磁材料薄膜之中，并使得其原子间距改变，进而调控磁矩方向。方法⑤：磁电耦合；采用铁磁/压电结构来实现电场对磁性能的调控。铁磁薄膜/PMN-PT异质结构PMN-PT在外电场下形变量PMN