电流与磁化分布非均匀性对条形磁阻传感器特性的影响机制研究

针对传统近似计算在条形磁阻传感器设计中存在的显著误差问题，莫斯科国立大学团队通过建立非均匀电流与磁化分布的二维解析模型，揭示了AMR（各向异性磁阻）传感器中电流路径与磁畴结构的协同作用机制，实验验证该模型可精准预测传感器输出特性（Uout/U0与H/Ha关系），为高灵敏度柔性磁电器件设计提供理论基石。

　　

在磁传感技术领域，条形磁阻（barber-pole）结构因其独特的45°电流-磁化夹角设计，成为实现高线性度各向异性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance, AMR）传感器的核心方案。然而，传统设计存在两大瓶颈：一是假设电流垂直穿过低阻分流条（shunt）的简化模型忽略实际非均匀分布，二是将磁化过程视为理想单畴（single-domain）状态。这些近似导致理论预测与实测特性出现显著偏差，尤其在柔性电子和微型化器件应用中，分流条宽度c与间距a的微纳尺度效应进一步放大误差。莫斯科国立大学物理系Vladislav Shevtsov团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表的研究，首次建立二维非均匀电流-磁化耦合模型，为破解这一工程难题提供精确的理论工具。

研究采用三大关键技术：1）构建包含分流条边界条件的拉普拉斯方程，解析求解磁阻薄膜中电流密度矢量场；2）结合Stoner-Wohlfarth模型模拟非均匀磁化分布，引入各向异性磁阻率Δρ/ρ的张量表达式；3）通过微加工制备不同c/a比的AMR传感器，测量Wheatstone桥路输出电压U_out与磁场H的响应曲线进行验证。

【Barber-pole sensor】
研究揭示传统设计误区：尽管分流条电导率远高于磁阻层，但电流线仍呈现显著弯曲（见图1）。通过建立包含分流条宽度c和间距a的二维模型，发现当c/a>0.1时，电流偏离垂直路径的程度加剧，导致有效磁阻变化率ΔR/R₀降低达15%。

【Sensor output characteristics】
对比经典公式U_out=U₀(ΔR/R₀)(H/H_a)√[1-(H/H_a)²]，新模型显示三个关键差异：1）低场区（H<0.5H_a）灵敏度下降，源于边缘磁畴的非共线旋转；2）线性区间缩短，与磁化矢量在分流条边缘形成的涡旋结构相关；3）饱和场强度H_a需修正约8%，因薄膜宽度b影响退磁场分布。实验数据与模拟结果吻合度提升至97%。

【Conclusion】
该研究突破性地量化了非均匀效应对传感器性能的影响规律：1）分流条最优c/a比应控制在0.05-0.08区间，兼顾均匀性与灵敏度；2）磁阻薄膜宽度b需满足b<10c以避免多畴态；3）柔性基底应变会通过改变a值引入额外非线性，需在设计中预补偿。这些结论为AMR传感器在生物医学检测（如心磁图仪）和惯性导航系统中的应用提供精准设计准则。

讨论部分强调，当前模型可进一步扩展至巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）传感器的微型化设计，尤其对解决柔性电子器件中机械-磁-电耦合难题具有普适意义。作者指出，未来工作将聚焦于三维电流分布效应和动态磁化过程的瞬态响应建模，以适配更高频段的传感需求。