上海維立勝衡傳感器有限公司
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閱讀：151發(fā)布時間：2025-3-9
穿隧磁阻效應(yīng)（Tunnel Magnetoresistance，簡稱TMR），就是利用了量子隧穿。
TMR參數(shù)是描述電子通過磁性隧道結(jié)的電阻變化的效應(yīng)，這是一個純粹的量子效應(yīng)，其背后的物理機(jī)制就是量子隧穿。在TMR效應(yīng)中，兩個磁性電極之間的絕緣層非常?。ㄏ聢D示意圖中的中間層，只有幾個納米），電子可以通過量子隧穿效應(yīng)穿過這個絕緣層。當(dāng)兩個磁性電極的磁化方向并行時，電子的隧穿概率大；而當(dāng)兩個磁性電極的磁化方向反并行時，電子的隧穿概率小，從而造成了電阻的變化。
提及絕緣體，經(jīng)典的物理理論中，如果在磁性電極A和B之間存在絕緣體，那么施加在A和B上的電壓差即使在穩(wěn)態(tài)沒有擊穿的情況下，通過的電流也將是0。如果這個絕緣層只有幾個納米時，討論就需要轉(zhuǎn)到量子領(lǐng)域了，而之前的這種“常識”將不再成立。解釋就要用到如下的薛定諤方程來說明粒子（這里為電子）隧道效應(yīng)。
其中：
Ψ是粒子的波函數(shù)；
?是約化普朗克常數(shù)，?=h/2π；
m是粒子的質(zhì)量；
U(r)是粒子所在位置的勢能；
E是粒子的總能量；
∇^2是拉普拉斯算符：∂^2/(∂x^2)+∂^2/(∂y^2)+∂^2/(∂z^2)
我們將上面的三維方程特例化到一個一維勢場里。設(shè)有一維勢場：
在經(jīng)典理論中，只有能量E>Uo的粒子才可以越過勢壘，而且不會被勢壘反彈；而EUo的粒子在x=0處也可能被反射；E
當(dāng)粒子總能量E
A，A'，B，B'及C為可解系數(shù)，其中，
在一定條件下(E<
我們從下表的數(shù)據(jù)看粒子的透射幾率來比較一下各個參數(shù)的影響如何。以電子透射方勢壘為例：Uo=1.10eV，E=0.10eV，當(dāng)a值變化時，電子的透射率D：
從數(shù)據(jù)可以看出，只有在這個勢壘厚度足夠小時，才可以出現(xiàn)明顯的隧道效應(yīng)，而實際生活中面對比這些nm級的尺寸大得多的宏觀物體而言，沒必要擔(dān)心某天會在你的家里發(fā)現(xiàn)一個穿墻而過的道士。
TMR，其工作原理深深地根植于量子物理學(xué)的核心。而在這背后，靜靜地默默發(fā)揮作用的，便是薛定諤方程。薛定諤方程是量子力學(xué)中的基本方程，它一種描述微觀粒子如何在特定外力作用下演化的規(guī)律。在TMR電流傳感器中，薛定諤方程被用來描述和解釋電子如何隧穿通過磁性絕緣層。
TMR傳感器主要由兩個磁性電極和中間的絕緣層構(gòu)成，其中隧穿發(fā)生在這兩個電極之間的絕緣層。兩個磁性電極分別為固定層和自由層，前者磁場方向固定，后者磁場方向根據(jù)外部磁場方向而變。在這個極薄的絕緣層中，電子似乎"不可能"通過。然而，量子力學(xué)的薛定諤方程卻告訴我們：“不可能”的事情在微觀世界里確實可能發(fā)生。這就引出了電子的量子隧穿現(xiàn)象。其實質(zhì)是當(dāng)電子遇到大于其能量的勢壘時，它仍然有一定概率通過，而這一概率可由解薛定諤方程獲得（Ψ_3）。
隨著磁場的改變，例如在二維平面上磁極的磁化方向從并行變?yōu)榉床⑿?，量子隧穿通過絕緣層的電子的薛定諤波函數(shù)發(fā)生變化，那么由此通過隧穿效應(yīng)產(chǎn)生的電流也會發(fā)生變化相應(yīng)減小，對應(yīng)的阻值達(dá)到；反之，兩個磁性電極的磁場方向平行一致時，對應(yīng)的阻值為最小。于是，定義了磁極磁化方向的磁場變化導(dǎo)致了穿隧電流的變化，從而改變了整個器件的電阻，即TMR效應(yīng)。
因此，薛定諤方程在TMR電流傳感器原理中起著核心作用，它不僅解釋了電子的量子隧穿現(xiàn)象，也為計算穿隧電流提供了理論依據(jù)。
克服TMR技術(shù)對于溫度和磁場環(huán)境變化的穩(wěn)定性等較高要求的約束，安費諾傳感器Piher傳感系統(tǒng)，提供了一款基于TMR技術(shù)的車規(guī)級電流傳感器，參數(shù)如下。
該系列產(chǎn)品和其他安費諾基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器系列，在：
1.電動汽車(EV)的電池管理
2.電機(jī)控制，
3.EV的逆變系統(tǒng)
4.DC/DC轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
等方面都可以發(fā)揮其的功能和作用。
原文/article/88/142/2023/202310302282488.html
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