一款具有渦旋狀態磁性換能元件的磁傳感器

據麥姆斯咨詢介紹，許多現代技術應用均是基于磁性技術，例如在電動汽車中的動力部件，或存儲數據的硬盤。另外，磁場探測也會作為傳感器的功能之一。目前，采用半導體技術制造的磁場傳感器市場規模已達到16.7億美元，并將持續增長勢頭。在汽車電子行業中，將更精確的磁場傳感器應用于ABS系統中不僅可以檢測速度與位置，還可以間接檢測輪胎壓力，無需在輪胎中額外安裝壓力傳感器，節省了資源和成本。而如各向異性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）等新型磁阻傳感器技術相關應用的興起，主要歸功于其靈敏度和集成能力的提高。

新型磁場傳感器的核心是可以實現磁信號轉換的微結構鐵磁薄膜元件（microstructured ferromagnetic thin-film element），但這些元件通常呈現非線性磁滯曲線，使得傳感器性能受到磁噪聲的限制。

奧地利科學家團隊著重研究了磁阻傳感器中磁噪聲的起源，并證明了在換能元件中受拓撲保護的磁渦旋狀態可以克服噪聲問題。利用解析法和微磁模型，研究者發現噪聲的主要來源是靠近Stoner–Wohlfarth模型反轉磁場的外部磁場處換能器元件不可復制的磁性反轉。為了解決這個問題，研究者利用流體封閉的渦旋結構，開發出了巨磁阻傳感器結構，即使與目前最先進的傳感器相比，該傳感器也毫不遜色：磁噪聲更低，線性度高出一個數量級，磁滯幾乎可以忽略。

旋轉磁場與Stoner-Wohlfarth模型相切產生的相位噪聲

一旦施加外部磁場，這種所謂的換能元件（transducer element）就會改變其電行為；原子“羅盤針”，即原子磁偶極子（atomic magnetic dipoles）將重新排列，從而改變了換能元件的電阻。該行為可用來探測磁場。

臨界場附近的渦旋磁化模式

圖中虛線處是剛性渦旋模型預測的臨界磁場

在維也納大學（University of Vienna）、克雷姆斯多瑙河大學（Danube University Krems）與英飛凌公司（Infineon AG）的共同合作中，由Dieter Suss領導的研究小組在基督教多普勒實驗室的“先進磁傳感與材料”組織對物理起源和理論極限進行了詳細的分析，并針對解決方案提出了具體建議。該研究結果近期發表于雜志《自然電子學》（Nature Electronics）。

在本項目研究中，科學家利用經過實驗驗證的計算機仿真表明，通過重新設計換能元件，可以顯著降低干擾信號、磁噪聲和磁滯現象。在新的設計中，換能元件的原子磁偶極排列在中心周圍，形態類似颶風。外部磁場改變了該渦旋中心的位置，這直接表現為電阻的變化。

該項目負責人Dieter Suss說：“這次展示了磁渦旋結構的首次大規模應用，與傳統的磁性傳感器相比有顯著的改進。”該研究項目起到了很好的示范作用：如在外部磁場中的磁渦旋結構行為等基礎研究和純科學問題，可以催生非常成功的應用。Suss針對該重要協同作用補充道：“科學到應用的先決條件是建立科學與產業界之間的合作，在合作過程中，產業界既可以提供與實踐緊密相連的問題，也可以為實現這些復雜的技術提供如凈化間等技術設施。”