TMR傳感器的原理和特性以及其應(yīng)用解析

在美國拉斯維加斯舉辦的全球最大電子產(chǎn)品展覽會“2018年消費類電子產(chǎn)品展銷會（CES 2018）”的 TDK和AKM的展臺上發(fā)布了一款高精度3軸磁力計。

該磁力計將TDK公司開發(fā)的高度靈敏的隧道磁阻（TMR）元件與AKM公司設(shè)計的先進電子羅盤ASIC組合到一個小型LGA 11針封裝內(nèi)。該新型TMR磁力計附在一塊芯片上，微型尺寸僅為1.6毫米 x 1.6毫米x 0.6毫米，而其特點是具有業(yè)內(nèi)最低的RMS噪音，僅為40 nT-rms，且在在輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時, 電流消耗亦非常低，僅為40 μA。

由于具有10 nT/LSB（最低有效位）的高靈敏度，該磁傳感器可以非常精確地檢測磁場內(nèi)細小變化，從而能夠在地球磁場或磁場發(fā)生器的幫助下高度準確地探測位置和方位。這些獨一無二的特點使得TMR磁力計適用于緊湊型電子設(shè)備上，例如：智能手機、平板電腦、游戲機控制器和各種各樣的可穿戴設(shè)備，以及需要位置和方位精度高的其他應(yīng)用，例如：虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實或混合現(xiàn)實（VR、AR和MR）或室內(nèi)導(dǎo)航。

磁傳感器

磁傳感器是種類繁多的傳感器中的一種，它能夠感知與磁現(xiàn)象有關(guān)的物理量的變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行檢測，從而直接或間接地探測磁場大小、方向、位移、角度、電流等物理信息，廣泛應(yīng)用于信息、電機、電力電子、能源管理、汽車、磁信息讀寫、工業(yè)自動控制及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

隨著科技進步和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩(wěn)定性及功耗等提出了越來越高的要求。

廣泛應(yīng)用的磁傳感器主要是基于電磁感應(yīng)原理、霍爾效應(yīng)及磁電阻效應(yīng)等。其中基于磁電阻效應(yīng)的傳感器由于其高靈敏度、小體積、低功耗及易集成等特點正在取代傳統(tǒng)的磁傳感器。

目前市場上主要的磁傳感器芯片是基于霍爾效應(yīng)、各向異性磁電阻(AMR)和巨磁電阻(GMR)效應(yīng)而開發(fā)的，而由于TMR磁傳感器芯片擁有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高響應(yīng)頻率和高靈敏度特性，使其將會成為未來競爭的制高點。

TMR隧道磁阻傳感器

主流的磁傳感器仍然是半導(dǎo)體霍爾器件，但其本身存在的靈敏度低、容易受應(yīng)力和溫度影響、響應(yīng)頻率低以及功耗大的缺點，使其主導(dǎo)地位正不斷受到磁電阻傳感器的沖擊。

國外薄膜磁電阻傳感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技術(shù)已經(jīng)成熟并已開始大規(guī)模量產(chǎn)。TMR傳感器目前主要應(yīng)用在硬盤磁頭和磁性內(nèi)存領(lǐng)域，代表廠商：Seagate／WD／TDK；AMR器件代表廠商有：HoneyWell／NEC／日本旭化成／西門子；美國NVE公司小規(guī)模量產(chǎn)GMR傳感器和少量的Spin—Valve傳感器。

TMR磁傳感器芯片的研發(fā)和生產(chǎn)依賴于納米薄膜及納米級電子元器件的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與技術(shù)以及芯片的設(shè)計等多個環(huán)節(jié)。TMR技術(shù)主要掌握在國外的硬盤制造企業(yè)手中，而磁傳感器制造企業(yè)普遍缺乏n很芯片制各技術(shù)、人才和生產(chǎn)經(jīng)驗。

在全世界范圍內(nèi)，國際上也只有美國的兩家公司能夠小批量生產(chǎn)TIvIR磁傳感器芯片，包括美國的NVE和Micro Magnetics，而國內(nèi)受設(shè)備和人才的限制，直到2010年，才逐漸填補這一領(lǐng)域的空白。

TMR傳感器的原理和特性

基于磁電阻效應(yīng)磁信號可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，除了龐磁電?CMR)效應(yīng)受到溫度區(qū)間和工作磁場的限制而很難應(yīng)用以外，其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應(yīng)都可以應(yīng)用于磁傳感器中。

目前，AMR傳感器已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用；GMR傳感器正方興未艾，快速發(fā)展。TMR傳感技術(shù)最早應(yīng)用于硬盤驅(qū)動器讀出磁頭，大大提高了硬盤驅(qū)動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態(tài)范圍優(yōu)點于一體，因而在各類磁傳感器技術(shù)中，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，其各項性能指標均遠優(yōu)于其他類型的傳感器，表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機理和特點

在鐵磁材料中,由于量子力學(xué)交換作用,鐵磁金屬的3d軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂,使費米( Ferm i)面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態(tài)密度。

在磁性隧道結(jié)MTJs中, TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層( FM / I/FM )的三明治結(jié)構(gòu).。飽和磁化時,兩鐵磁層的磁化方向互相平行,而通常兩鐵磁層的矯頑力不同,因此反向磁化時,矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn),使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機理示意圖

若兩層磁化方向互相平行,則在一個磁性層中,多數(shù)自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),少數(shù)自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),總的隧穿電流較大;若兩磁性層的磁化方向反平行,情況則剛好相反,即在一個磁性層中,多數(shù)自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),而少數(shù)自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),這種狀態(tài)的隧穿電流比較小。因此,隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化,磁化矢量平行時的電導(dǎo)高于反平行時的電導(dǎo)。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向,從而使得隧穿電阻發(fā)生變化,導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。

MTJs中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為

式中和N分別為鐵磁金屬費米面處自旋向上和自旋向下電子的態(tài)密度。

由Julliere模型可以得到

或者

式中

在研究中，不同的學(xué)者對TMR值的定義不同,有的學(xué)者采用( 2)式的定義,但最近幾年,大部分學(xué)者都采用( 3)式的定義。

TMR磁傳感器產(chǎn)品應(yīng)用

TMR磁傳感器產(chǎn)品應(yīng)用TMR磁傳感器的應(yīng)用非常廣泛，包括工業(yè)控制、金融器具、生物醫(yī)療、消費電子、汽車領(lǐng)域等，其典型特征是低功耗、小尺寸、高靈敏度。薛松生博士給我們舉了幾個案例。

在流量計領(lǐng)域中，智能水表、智能熱量表一般都采用電池供電，因此對傳感器的功耗要求非?？量?。當(dāng)前水表方案采用干簧管、低功耗霍爾器件以及韋根傳感器等，要么頻率響應(yīng)非常低導(dǎo)致測量精度不夠，要么就是功耗很大導(dǎo)致電池壽命很短。而采用韋根傳感器的智能熱量表電路復(fù)雜，可靠性差，小流量的測量也不精確。另外，采用霍爾器件的傳統(tǒng)電表方案溫度性能比較差，由于靈敏度低需要額外增加聚磁環(huán)，導(dǎo)致體積和成本增加。目前，采用兩個TMR超低功耗磁傳感器的方案，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)動的磁場變化測量轉(zhuǎn)速，得到水表的瞬時流量，并且功耗非常低（超低功耗全極磁開關(guān)MMS2X1H，雙極磁開關(guān)MMS1X1H，全時供電下只有1.5uA電流，頻響大于1KHZ）。在智能電表中，基于TMR磁傳感器（如TMR501、TMR503）的電表比傳統(tǒng)霍爾器件電表體積更小、成本更低、精度更高、溫度特性更好。

智能水表

智能氣表

在金融器具領(lǐng)域，國內(nèi)的金融設(shè)備主要采用電感線圈和銻化銦磁頭，無論是檢測精度和信噪比，還是磁頭的尺寸，均無法與其他發(fā)達國家尤其是日本的金融磁頭相比，更加嚴重的是產(chǎn)品一致性存在問題，量產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，無法大批量生產(chǎn)。時至今日，全球（包括中國）高端金融磁頭市場都被日本公司壟斷。TMR磁性識別傳感器（如MMGB015、MMGB065、MMGB18S）是專門用于紙幣、銀行票據(jù)、證券磁特性的檢測、識別的新型純阻抗驗鈔磁頭，主要應(yīng)用于點驗鈔機、清分設(shè)備、ATM、各類自動售貨機讀鈔、驗鈔模組和磁卡讀頭，具有高靈敏度、高信噪比、高頻響等特點。

(左)單通道TMR金融磁頭 (右上)6通道TMR金融磁頭 (右下)18通道TMR金融磁頭

在電梯、礦洞、橋梁等鋼絲繩無損探傷方面，基于TMR磁傳感器的產(chǎn)品（如TMR2703、TMR2705、TMR2901、TMR2903）能夠利用弱磁檢測精確定位繩索的表面缺陷和內(nèi)部缺陷，與目前幾萬、幾十萬的檢測系統(tǒng)相比精度更高、價格更加親民、檢測更加方便。

在智能停車管理系統(tǒng)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的地感線圈、超聲波、RFID、紅外線等判斷停車位上有無車輛相比，TMR線性磁傳感器能夠根據(jù)車輛對地磁的擾動特征識別出來，精度高、體積小、易于安裝維護、全天候工作。

在醫(yī)療領(lǐng)域，例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒結(jié)合的實驗，通過血液中的磁珠體積變化從而判斷病人的病情，而TMR磁傳感器能夠精準的監(jiān)測出磁珠體積是否變大。

基于TMR磁傳感器的產(chǎn)品在智慧家庭和智能汽車領(lǐng)域?qū)卣垢嗟膽?yīng)用。

由于TMR材料同時具備工作磁場低、靈敏度高、熱穩(wěn)定性好等特性，因此，與GMR效應(yīng)相比，TMR效應(yīng)具有更為廣闊的應(yīng)用前景。研究與開發(fā)室溫TMR值高、熱穩(wěn)定性好、RA值低、成本低的TMR材料將是今后磁電阻材料領(lǐng)域工作的重點和關(guān)鍵。