TMR传感器工作原理 隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介

隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介

电动汽车资源网讯：

【电动汽车资源网EV江湖 浙江巨磁 段康靖】

1、磁阻概念:材料的电阻会因外加磁场而增加或减少,电阻的变化量称为磁阻(Magnetoresistance)。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。同霍尔效应一样,磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。从一般磁阻开始,磁阻发展经历了巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)、异向磁阻(AMR)、穿隧磁阻(TMR)、直冲磁阻(BMR)和异常磁阻(EMR)。

2、磁阻应用:磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用,如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。

3、穿隧磁阻效应(TMR):穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中,其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势,从而展示出十分诱人的应用前景。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。

二、穿隧磁阻效应(TMR)的物理简释

从经典物理学观点看来,铁磁层(F1)+绝缘层(I)+铁磁层(F2)的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通,而量子力学却可以完美解释这一现象。当两层铁磁层的磁化方向互相平行,多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,总的隧穿电流较大,此时器件为低阻状态;当两层的磁铁层的磁化方向反平行,情况则刚好相反,即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,此时隧穿电流较小,器件为高阻状态。可以看出,隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向,当磁化方向发生变化时,隧穿电阻发生变化,因此称为隧道磁电阻效应。

图1 TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

TMR磁传感器利用磁场变化引起磁电阻变化的原理,因此我们可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测算外磁场的变化。实际的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构复杂。基本结构除了铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构外,还在上下增加顶电极层(upper contact)和底电极层(lower contact),两层电极直接与相近的磁层接触。底电极层位于绝缘基片(Insulating)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且位于衬底(Substrate)的上方。

图2 TMR磁阻传感器的结构

三、TMR磁阻传感器的特性

基于磁电阻效应磁信号可以转变为电信号,除了庞磁电阻(CMR)效应受到温度区间和工作磁场的限制而很难应用以外,其他AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以应用于磁传感器中。

目前,AMR传感器已经大规模应用;GMR传感器正方兴未艾,快速发展。TMR传感技术最早应用于硬盘驱动器读出磁头,大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围优点于一体,因而在各类磁传感器技术中,TMR磁传感器具有无可比拟的技术优势,其各项性能指标均远优于其他类型的传感器,下表1给出了三种效应的传感器技术比较。

表1 三种MR传感技术比较

由TMR材料制成各种高灵敏度磁传感器,用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感。此类传感器具有体积小、可靠性高、响应范围宽等优势,能满足应对自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术等方面越来越苛刻的要求。基于TMR技术制成的传感器有以下特点:

1、高灵敏度——被检测信号的强度越来越弱,需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

(1)电流传感器:需要检测到nA级别的电流,即使加上聚磁环,也需要磁性传感器本身的检测精度达到nT的水平

(2)角度传感器:<0.01的分辨率

(3)齿轮传感器:齿轮的精细化以及传感器到齿轮的间距的最大化,导致磁性信号变得非常微弱

(4)太空环境测量:分辨率<0.015nT

(5)基于磁性异常检测的海洋布防等:<0.02pT的检测分辨率

2、温度稳定性——更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷,这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性,行业应用包括汽车电子行业。

(1)汽车电子行业:从滴水成冰的外部环境到滚烫的发动机内部都必须工作

(2)智能电网:可以迎接百年一遇的寒冷,也能坚守在发热严重的封闭体内

(3)航空航天领域:在有保护的情况下,工作温度的跨度也是非常大的

3、高频特性——随着应用领域的推广,要求传感器的工作频率越来越高,应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

(1)水表:可以检测到0.0001m³的即时流量(> 10 kHz)

(2)汽车电子行业:部件的精密控制,要求信号的频率越来越高(> 200 kHz)

(3)信息记录行业:要求数据传输率 > 1 GHz

4、低功耗——很多领域要求传感器本身的功耗极低,得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片,指南针等等。

(1)植入身体内磁性生物芯片

(2)使用电池供电的水表/气表,以及微功耗智能电表

(3)室外/野外磁性传感器(磁性异常检测仪、电子指南针、手持式磁场探测仪等)

(4)航空航天用磁性传感器

5、抗干扰性——很多领域里传感器的使用环境没有任何评比,就要求传感器本身具有很好的抗干扰性。包括电子罗盘、金融磁头等。

(1)电子罗盘:大多数电路板产生的杂散磁场为地磁场的50倍以上;

(2)金融磁头:内部的各种电机产生的磁场的强度为磁性油墨磁场的50倍以上;

(3)POS机磁头:手机信号的磁场为磁头磁场的5倍以上;

(4)水表、气表等;

(5)汽车电子:发动机、运动部件以及各种电线产生磁场的可以在10 Gs以上

6、小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求,这就需要芯片级的集成,模块级集成,产品级集成

(1)芯片级的集成:传感器 + ASIC数字式输出、标准化输出

(2)模块级集成:芯片 + 外部磁铁 + 模具 + 电路基本功能的实现

(3)产品级集成:模块 + 产品功能化、智能化

四、TMR技术在电流检测领域的优势

电流传感器是能将被测体的电流的信息,按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

目前电流传感器检测技术有很多,常见的有电阻分流器、电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、Rogowski线圈,磁阻效应电流传感器,磁致伸缩电流传感器和光线电流传感器等等。其中在现代工业和电子产品,以霍尔为代表的磁传感器应用最为广泛。

磁传感器以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数,磁传感器包括霍尔(Hall)元件,各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)以及穿隧磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance,TMR)等元件为敏感元件的传感器。

普通器件测量通过器件的电流非常简单,因为电流电平相对较高,为毫安甚至安培级。随着移动智能设备的普及,物联网的应用和生物技术的发展,当今器件工作电流低至微安级甚至更低,因此需要更复杂设备进行测量。以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场,提高霍尔输出灵敏度,从而增加了传感器的体积和重量,同时霍尔元件具有功耗大,线性度差的缺陷。AMR元件虽然其灵敏度比霍尔元件高很多,但是其线性范围窄,同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作,造成其制造工艺的复杂,线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度,但是其线性范围偏低。

TMR(TunnelMagnetoresistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器, TMR技术最初是用在硬盘中磁性读写头上的,因此其对磁场检测的精度、准确度以及寿命可靠性在硬盘中经过了几十年的市场检验。在检测电流时是通过检测铜排和导线上电流所产生的磁场,再通过芯片一定的运算来得到电流大小。相比于之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。TMR元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更好的线性度,不需要额外的聚磁环结构;相对于AMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更宽的线性范围,不需要额外的set/reset线圈结构;相对于GMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更宽的线性范围。下图是四代磁传感技术原理图。

图 3 磁传感技术发展历程

下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对比,可以更清楚直观的看到各种技术的优劣。

表格2各磁传感器技术参数

基于TMR芯片制造的电流传感器在高灵敏度,温度稳定性,抗干扰性,小型化、集成化、智能化和低功耗方面有着出色的表现。作为第四代磁感应技术。灵敏度,分辨率,功耗,温度特性都有10倍以上的提升,并能全芯片级制程控制提供可靠的品质和合理的价格。

五、TMR磁传感器产品在各个领域中的实际应用

TMR磁传感器产品的应用非常广泛,包括工业控制、金融器具、生物医疗、消费电子、汽车领域等,其典型特征是低功耗、小尺寸、高灵敏度。

1、在流量计领域中,智能水表、智能热量表一般都采用电池供电,因此对传感器的功耗要求非常苛刻。当前水表方案采用干簧管、低功耗霍尔器件以及韦根传感器等,要么频率响应非常低导致测量精度不够,要么就是功耗很大导致电池寿命很短。而采用韦根传感器的智能热量表电路复杂,可靠性差,小流量的测量也不精确。另外,采用霍尔器件的传统电表方案温度性能比较差,由于灵敏度低需要额外增加聚磁环,导致体积和成本增加。目前,采用两个TMR超低功耗磁传感器的方案,根据叶轮转动的磁场变化测量转速,得到水表的瞬时流量,并且功耗非常低。在智能电表中,基于TMR磁传感器的电表比传统霍尔器件电表体积更小、成本更低、精度更高、温度特性更好。

图3智能水表

图4智能气表

2、在电动汽车领域,电动汽车上需要检测电流的地方很多,比如BMS、MCU、PDU、车载充电器、DC-DC等目前行业内对电流的检测和监控,除了一些高端车型会采用精度更高、响应速度更快的HALL闭环电流传感器,普遍用的都是HALL开环方案。虽然HALL开环电流传感器的精度、线性度、响应速度、温漂特性等性能方面均不如HALL闭环方案,但是汽车电气工程师普遍更在乎其能满足一般工作要求情况的经济性(4-10美金),当下国产的HALL开环方案市场价更是有朝3美金方向走的趋势。

HALL开环电流传感器的确有一定的经济性,但是其较肥大的体积,要占用很大空间也越来越受到工程师的诟病。尤其是在电动汽车行业,动力模块的小型化是各家车厂都竞相研究的方向。

TMR(穿隧磁阻效应)电流传感器,这种方案可实现级小体积的芯片来精确检测铜排或者导线上电流,其精度、线性度、响应速度和温漂特性可以媲美HALL闭环方案,而且该方案的成本甚至比HALL开环方案还有优势。

图5微安级TMR电流传感器

3、在金融器具领域,国内的金融设备主要采用电感线圈和锑化铟磁头,无论是检测精度和信噪比,还是磁头的尺寸,均无法与其他发达国家尤其是日本的金融磁头相比,更加严重的是产品一致性存在问题,量产工艺不稳定,无法大批量生产。时至今日,全球(包括中国)高端金融磁头市场都被日本公司垄断。TMR磁性识别传感器是专门用于纸币、银行票据、证券磁特性的检测、识别的新型纯阻抗验钞磁头,主要应用于点验钞机、清分设备、ATM、各类自动售货机读钞、验钞模组和磁卡读头,具有高灵敏度、高信噪比、高频响等特点。

图6(左)单通道TMR金融磁头(右上)6通道TMR金融磁头(右下)18通道TMR金融磁头

4、在电梯、矿洞、桥梁等钢丝绳无损探伤方面,基于TMR磁传感器的产品能够利用弱磁检测精确定位绳索的表面缺陷和内部缺陷,与目前几万、几十万的检测系统相比精度更高、价格更加亲民、检测更加方便。

图 7 高精度低成本的TMR芯片级传感器

5、在智能停车管理系统领域,与传统的地感线圈、超声波、RFID、红外线等判断停车位上有无车辆相比,TMR线性磁传感器能够根据车辆对地磁的扰动特征识别出来,精度高、体积小、易于安装维护、全天候工作。

图 8 TMR传感器用于停车管理

6、在医疗领域,例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒结合的实验,通过血液中的磁珠体积变化从而判断病人的病情,而TMR磁传感器能够精准的监测出磁珠体积是否变大。

基于TMR磁传感器的产品在智慧家庭和智能汽车领域将会拓展更多的应用。由于TMR材料同时具备工作磁场低、灵敏度高、热稳定性好等特性,因此,与GMR效应相比,TMR效应具有更为广阔的应用前景。研究与开发室温TMR值高、热稳定性好、RA值低、成本低的TMR材料将是今后磁电阻材料领域工作的重点和关键。

TMR传感器

TMR传感器是一种新型的磁性传感器，应用了HHD磁头的高灵敏度播放元件——TMR元件。

HDD磁头的播放元件应用了电阻因外部磁场而变的磁阻效应(Magnetoresistance effect)的原理，在1980年代以后，经历了AMR(各向异性磁阻效应：Anisotropic magnetoresistance effect)元件、GMR(巨磁阻效应：Giant magnetoresistance effect)元件、TMR(穿隧磁阻效应：Tunnel magnetoresistance effect)元件，技术逐渐进步，推进了HDD的记录密度飞跃性的提高。各种元件的结构如图1所示。

图1 AMR元件、GMR元件、TMR元件的结构

（模式图）

▷降低耗电量的同时实现高效振动的PiezoHapt™执行器的原理与结构

TMR元件的磁性结构与GMR元件基本相同，但GMR元件的电流平行于膜面流过，而TMR元件的电流垂直于膜面流过。

依靠先进的薄膜过程技术制造的TMR元件是一种薄膜元件，具有2层强磁性体层（自由层/固定层）夹住1～2nm的薄绝缘体的势垒层的结构。固定层的磁化方向被固定，但自由层的磁化方向根据外部磁场方向而变，元件的电阻也随之而变。当固定层与自由层的磁化方向平行时，电阻最小，势垒层流过大电流。另外，当磁化方向为反向平行时，电阻极端地变大，势垒层几乎没有电流流过（图2）。

图2 TMR的原理

图左：当自由层与固定层的磁化方向平行时，电阻变小，流过大电流。

图右：当自由层与固定层的磁化方向为反向平行时，电阻变大，只流过微弱的电流。

▷TMR传感器的输出是AMR传感器的20倍，GMR传感器的6倍

元件电阻的变化比例用MR比这一数值表示。以前的AMR元件、GMR元件的MR比分别为3%、12%左右，而TMR元件甚至达到100%。在用2层强磁性体夹持非磁性体的金属层(Cu等)的GMR元件上，电子的移动表现出金属的导电现象。而在TMR元件上，电子的移动是量子力学的隧道效应。为此，在固定层与自由层处于反向平行的状态，GMR元件具有电子“难以移动”的特性，而TMR元件具有可以说电子“根本不能移动”的极端特性。这是TMR元件的MR比极大的原因，输出表现出“YES或NO”、“1或0”的鲜明特性。

这也是现在的HDD将TMR元件当作高密度播放元件利用的原因。因此，要是将发挥了高灵敏度特性的TMR元件当作磁性传感器利用，可获得极大的输出。实际上，TDK的TMR传感器的输出是AMR传感器的20倍，GMR传感器的6倍，达到3,000mV。图3表示用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比（施加电压5V时）。

图3 用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比

▷温度漂移、老化也小，最适合车载电气设备、产业设备

如果在TMR传感器上使磁铁旋转，自由层的磁化方向追随磁铁的磁场方向，元件的电阻连续变化。由于电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比，可当作角度传感器利用（图4）。

图4 利用TMR元件支撑角度传感器的原理

固定层的磁化方向被固定，自由层的磁化方向向外部磁场方向看齐。

由于元件的电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比，作角度传感器，能够检测360°。

TDK的TMR传感器的输出甚至是霍尔元件的500倍，而且耗电量低（5mW/推荐条件下），因此作为面向车载用途的传感器，具备最佳的特性。例如，可作为汽车的转向角传感器、EPS（电动动力转向器）电机用角度传感器，替代以前的霍尔元件的角度传感器等。

温度漂移（周围温度变化引起输出变化）小是传感器的基本条件。图5的曲线对比了TDK的TMR传感器与以前的AMR传感器的角度误差的温度依存度。以前的AMR传感器在低温侧、高温侧的角度误差极大，而TDK的TMR传感器在大的温度范围保持稳定的角度精度（在磁场范围20～80mT、温度范围-40～150℃的条件下，角度误差±0.6°以下）。另外，老化小也是TDK的TMR传感器的重大特点，除了在车载电气设备上使用外，还可望在各种产业设备上得到活用。

图5 角度误差的温度依存度

（TDK的TMR传感器与以前的AMR传感器对比）

▷也作为旋转传感器、电流传感器为节能行车做贡献

传感检测技术也为汽车的燃油经济性提高做出了巨大贡献。在汽车发动机上，为发动机ECU（电子控制单元）计算燃油喷射的最佳时机与喷射量而获取信息的传感器有曲轴角度传感器、凸轮角度传感器。

曲轴角度传感器、凸轮角度传感器有各种方式，不过由于不易受磨损、灰尘等的影响，非接触式的电磁传感器成了主流。在曲轴、凸轮轴上安装使用了磁性体的齿轮状齿轮脉冲星（脉冲星转子），然后用偏磁施加磁场，以非接触的方式相对配置磁性传感器。如果发动机启动，齿轮脉冲星旋转，齿轮的齿的凹凸使磁铁产生的磁通密度交替变化，因此磁性传感器将其作为脉冲信号取出，根据单位时间的脉冲个数检测转速。为此，也被称作齿轮齿传感器等。

TDK的TMR传感器与使用了霍尔元件的传感器等相比，具有灵敏度和输出极高的特点，除了曲轴角度传感器、凸轮角度传感器外，作为ABS装置的车轮速度传感器也将实现优越的传感检测。作为管理蓄电池的充放电，作为实现节能化的电流传感器，也值得期待。

近年来，在车载电气设备、产业设备、民生设备上，磁性传感器的需求扩大了。有人认为即使元件的特性差一点，也能通过使用方法（软件）弥补传感器的性能。然而，传感器是一种转换器，毕竟要求好的转换效率。另外，为了实现更安全、更舒适的行车，也预测要求车载传感器具有的检测精度是以前的大约2倍。TDK的TMR传感器是高输出、高精度、温度漂移和老化小、稳定性高的划时代的磁性传感器，应对今后严格的要求精度绰绰有余。TDK为了应对多样化的应用，正在努力进一步扩充产品阵容。

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