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解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介

發(fā)布時(shí)間:2018-09-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】磁阻概念:材料的電阻會(huì)因外加磁場(chǎng)而增加或減少,電阻的變化量稱為磁阻(Magnetoresistance)。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。同霍爾效應(yīng)一樣,磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。

一、概述
 
1、磁阻概念:材料的電阻會(huì)因外加磁場(chǎng)而增加或減少,電阻的變化量稱為磁阻(Magnetoresistance)。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。同霍爾效應(yīng)一樣,磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。從一般磁阻開始,磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻(GMR)、龐磁阻(CMR)、異向磁阻(AMR)、穿隧磁阻(TMR)、直沖磁阻(BMR)和異常磁阻(EMR)。
 
2、磁阻應(yīng)用:磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感、磁力計(jì)、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測(cè)、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(chǔ)(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域。磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測(cè)量等。
 
3、穿隧磁阻效應(yīng)(TMR):穿隧磁阻效應(yīng)是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中,其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對(duì)方向變化的效應(yīng)。TMR效應(yīng)由于具有磁電阻效應(yīng)大、磁場(chǎng)靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),從而展示出十分誘人的應(yīng)用前景。此效應(yīng)更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學(xué)基礎(chǔ)。
 
二、穿隧磁阻效應(yīng)(TMR)的物理簡(jiǎn)釋
 
從經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來,鐵磁層(F1)+絕緣層(I)+鐵磁層(F2)的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)電子在磁層中的穿通,而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行,多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)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(jìn)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,此時(shí)器件為低阻狀態(tài);當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行,情況則剛好相反,即多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),此時(shí)隧穿電流較小,器件為高阻狀態(tài)??梢钥闯?,隧道電流和隧道電阻依賴于兩個(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向,當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時(shí),隧穿電阻發(fā)生變化,因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
圖1 TMR磁化方向平行和反平行時(shí)的雙電流模型
 
TMR磁傳感器利用磁場(chǎng)變化引起磁電阻變化的原理,因此我們可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測(cè)算外磁場(chǎng)的變化。實(shí)際的TMR磁阻傳感器的制作遠(yuǎn)比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)雜。基本結(jié)構(gòu)除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)外,還在上下增加頂電極層(upper contact)和底電極層(lower contact),兩層電極直接與相近的磁層接觸。底電極層位于絕緣基片(Insulating)上方,絕緣基片要比底電極層要寬,且位于襯底(Substrate)的上方。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
圖2 TMR磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)
 
三、TMR磁阻傳感器的特性
 
基于磁電阻效應(yīng)磁信號(hào)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),除了龐磁電阻(CMR)效應(yīng)受到溫度區(qū)間和工作磁場(chǎng)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(dòng)器讀出磁頭,大大提高了硬盤驅(qū)動(dòng)器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)點(diǎn)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(shì),其各項(xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型的傳感器,下表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。
 
表1 三種MR傳感技術(shù)比較
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
由TMR材料制成各種高靈敏度磁傳感器,用于檢測(cè)微弱磁場(chǎng)和對(duì)微弱磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行傳感。此類傳感器具有體積小、可靠性高、響應(yīng)范圍寬等優(yōu)勢(shì),能滿足應(yīng)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)、家用電器、商標(biāo)識(shí)別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測(cè)量技術(shù)等方面越來越苛刻的要求?;赥MR技術(shù)制成的傳感器有以下特點(diǎn):
 
1、高靈敏度——被檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度越來越弱,需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應(yīng)用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環(huán)境測(cè)量。
 
(1)電流傳感器:需要檢測(cè)到nA級(jí)別的電流,即使加上聚磁環(huán),也需要磁性傳感器本身的檢測(cè)精度達(dá)到nT的水平
 
(2)角度傳感器:<0.01的分辨率
 
(3)齒輪傳感器:齒輪的精細(xì)化以及傳感器到齒輪的間距的最大化,導(dǎo)致磁性信號(hào)變得非常微弱
 
(4)太空環(huán)境測(cè)量:分辨率<0.015nT
 
(5)基于磁性異常檢測(cè)的海洋布防等:<0.02pT的檢測(cè)分辨率
 
2、溫度穩(wěn)定性——更多的應(yīng)用領(lǐng)域要求傳感器的工作環(huán)境越來越嚴(yán)酷,這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩(wěn)定性,行業(yè)應(yīng)用包括汽車電子行業(yè)。
 
(1)汽車電子行業(yè):從滴水成冰的外部環(huán)境到滾燙的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部都必須工作
 
(2)智能電網(wǎng):可以迎接百年一遇的寒冷,也能堅(jiān)守在發(fā)熱嚴(yán)重的封閉體內(nèi)
 
(3)航空航天領(lǐng)域:在有保護(hù)的情況下,工作溫度的跨度也是非常大的
 
3、高頻特性——隨著應(yīng)用領(lǐng)域的推廣,要求傳感器的工作頻率越來越高,應(yīng)用領(lǐng)域包括水表、汽車電子行業(yè)、信息記錄行業(yè)。
 
(1)水表:可以檢測(cè)到0.0001m³的即時(shí)流量(> 10 kHz)
 
(2)汽車電子行業(yè):部件的精密控制,要求信號(hào)的頻率越來越高(> 200 kHz)
 
(3)信息記錄行業(yè):要求數(shù)據(jù)傳輸率 > 1 GHz
 
4、低功耗——很多領(lǐng)域要求傳感器本身的功耗極低,得以延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。應(yīng)用在植入身體內(nèi)磁性生物芯片,指南針等等。
 
(1)植入身體內(nèi)磁性生物芯片
 
(2)使用電池供電的水表/氣表,以及微功耗智能電表
 
(3)室外/野外磁性傳感器(磁性異常檢測(cè)儀、電子指南針、手持式磁場(chǎng)探測(cè)儀等)
 
(4)航空航天用磁性傳感器
 
5、抗干擾性——很多領(lǐng)域里傳感器的使用環(huán)境沒有任何評(píng)比,就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性。包括電子羅盤、金融磁頭等。
 
(1)電子羅盤:大多數(shù)電路板產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)為地磁場(chǎng)的50倍以上;
 
(2)金融磁頭:內(nèi)部的各種電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度為磁性油墨磁場(chǎng)的50倍以上;
 
(3)POS機(jī)磁頭:手機(jī)信號(hào)的磁場(chǎng)為磁頭磁場(chǎng)的5倍以上;
 
(4)水表、氣表等;
 
(5)汽車電子:發(fā)動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)部件以及各種電線產(chǎn)生磁場(chǎng)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,這就需要芯片級(jí)的集成,模塊級(jí)集成,產(chǎn)品級(jí)集成
 
(1)芯片級(jí)的集成:傳感器 + ASIC數(shù)字式輸出、標(biāo)準(zhǔn)化輸出
 
(2)模塊級(jí)集成:芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實(shí)現(xiàn)
 
(3)產(chǎn)品級(jí)集成:模塊 + 產(chǎn)品功能化、智能化
 
四、TMR技術(shù)在電流檢測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)
 
電流傳感器是能將被測(cè)體的電流的信息,按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。
 
目前電流傳感器檢測(cè)技術(shù)有很多,常見的有電阻分流器、電流互感器、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器、Rogowski線圈,磁阻效應(yīng)電流傳感器,磁致伸縮電流傳感器和光線電流傳感器等等。其中在現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品,以霍爾為代表的磁傳感器應(yīng)用最為廣泛。
 
磁傳感器以感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來測(cè)量電流、位置、方向等物理參數(shù),磁傳感器包括霍爾(Hall)元件,各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)元件或巨磁電阻(Giant Magnetoresistance,GMR)以及穿隧磁阻效應(yīng)(Tunnel Magnetoresistance,TMR)等元件為敏感元件的傳感器。
 
普通器件測(cè)量通過器件的電流非常簡(jiǎn)單,因?yàn)殡娏麟娖较鄬?duì)較高,為毫安甚至安培級(jí)。隨著移動(dòng)智能設(shè)備的普及,物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和生物技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今器件工作電流低至微安級(jí)甚至更低,因此需要更復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器通常使用聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)來放大磁場(chǎng),提高霍爾輸出靈敏度,從而增加了傳感器的體積和重量,同時(shí)霍爾元件具有功耗大,線性度差的缺陷。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多,但是其線性范圍窄,同時(shí)以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線圈對(duì)其進(jìn)行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作,造成其制造工藝的復(fù)雜,線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時(shí)也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度,但是其線性范圍偏低。
 
TMR(TunnelMagnetoresistance)元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器, TMR技術(shù)最初是用在硬盤中磁性讀寫頭上的,因此其對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)的精度、準(zhǔn)確度以及壽命可靠性在硬盤中經(jīng)過了幾十年的市場(chǎng)檢驗(yàn)。在檢測(cè)電流時(shí)是通過檢測(cè)銅排和導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),再通過芯片一定的運(yùn)算來得到電流大小。相比于之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。TMR元件相對(duì)于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更好的線性度,不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu);相對(duì)于AMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,更高的靈敏度,更寬的線性范圍,不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu);相對(duì)于GMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更寬的線性范圍。下圖是四代磁傳感技術(shù)原理圖。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
圖 3 磁傳感技術(shù)發(fā)展歷程
 
下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對(duì)比,可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
 
表格2各磁傳感器技術(shù)參數(shù)
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
基于TMR芯片制造的電流傳感器在高靈敏度,溫度穩(wěn)定性,抗干擾性,小型化、集成化、智能化和低功耗方面有著出色的表現(xiàn)。作為第四代磁感應(yīng)技術(shù)。靈敏度,分辨率,功耗,溫度特性都有10倍以上的提升,并能全芯片級(jí)制程控制提供可靠的品質(zhì)和合理的價(jià)格。
 
五、TMR磁傳感器產(chǎn)品在各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用
 
TMR磁傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛,包括工業(yè)控制、金融器具、生物醫(yī)療、消費(fèi)電子、汽車領(lǐng)域等,其典型特征是低功耗、小尺寸、高靈敏度。
 
1、在流量計(jì)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(duì)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(cè)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(cè)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(gè)TMR超低功耗磁傳感器的方案,根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)變化測(cè)量轉(zhuǎn)速,得到水表的瞬時(shí)流量,并且功耗非常低。在智能電表中,基于TMR磁傳感器的電表比傳統(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。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
圖3智能水表
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
圖4智能氣表
 
2、在電動(dòng)汽車領(lǐng)域,電動(dòng)汽車上需要檢測(cè)電流的地方很多,比如BMS,MCU,PDU,車載充電器,DC-DC等目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電流的檢測(cè)和監(jiān)控,除了一些高端車型會(huì)采用精度更高、響應(yīng)速度更快的HALL閉環(huán)電流傳感器,普遍用的都是HALL開環(huán)方案。HALL電流傳感器雖然HALL開環(huán)電流傳感器的精度、線性度、響應(yīng)速度、溫漂特性等性能方面均不如HALL閉環(huán)方案,但是汽車電氣工程師普遍更在乎其能滿足一般工作要求情況的經(jīng)濟(jì)性(4-10美金),當(dāng)下國(guó)產(chǎn)的HALL開環(huán)方案市場(chǎng)價(jià)更是有朝3美金方向走的趨勢(shì)。
 
HALL開環(huán)電流傳感器的確有一定的經(jīng)濟(jì)性,但是其較肥大的體積,要占用很大空間也越來越受到工程師的詬病。尤其是在電動(dòng)汽車行業(yè),動(dòng)力模塊的小型化是各家車廠都競(jìng)相研究的方向。
 
TMR(穿隧磁阻效應(yīng))電流傳感器,這種方案可實(shí)現(xiàn)級(jí)小體積的芯片來精確檢測(cè)銅排或者導(dǎo)線上電流,其精度、線性度、響應(yīng)速度和溫漂特性可以媲美HALL閉環(huán)方案,而且該方案的成本甚至比HALL開環(huán)方案還有優(yōu)勢(shì)。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
圖5微安級(jí)TMR電流傳感器
 
3、在金融器具領(lǐng)域,國(guó)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(cè)精度和信噪比,還是磁頭的尺寸,均無法與其他發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是日本的金融磁頭相比,更加嚴(yán)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(shí)至今日,全球(包括中國(guó))高端金融磁頭市場(chǎng)都被日本公司壟斷。TMR磁性識(shí)別傳感器是專門用于紙幣、銀行票據(jù)、證券磁特性的檢測(cè)、識(shí)別的新型純阻抗驗(yàn)鈔磁頭,主要應(yīng)用于點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī)、清分設(shè)備、ATM、各類自動(dòng)售貨機(jī)讀鈔、驗(yàn)鈔模組和磁卡讀頭,具有高靈敏度、高信噪比、高頻響等特點(diǎn)。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
圖6(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
 
4、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)品能夠利用弱磁檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)相比精度更高、價(jià)格更加親民、檢測(cè)更加方便。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
圖 7 高精度低成本的TMR芯片級(jí)傳感器
 
5、 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(duì)地磁的擾動(dòng)特征識(shí)別出來,精度高、體積小、易于安裝維護(hù)、全天候工作。
 
解析隧道磁阻技術(shù)(TMR)及其應(yīng)用簡(jiǎn)介
 
圖 8 TMR傳感器用于停車管理
 
6、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(shí)驗(yàn),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(zhǔn)的監(jiān)測(cè)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)?huì)拓展更多的應(yīng)用。由于TMR材料同時(shí)具備工作磁場(chǎng)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(diǎn)和關(guān)鍵。
 
 
 
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