TMR傳感器原理及優(yōu)勢(shì)

TMR傳感器

TDK的TMR傳感器是一種新型的磁性傳感器，應(yīng)用了HHD磁頭的高靈敏度播放元件——TMR元件。
HDD磁頭的播放元件應(yīng)用了電阻因外部磁場(chǎng)而變的磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance effect)的原理，在1980年代以后，經(jīng)歷了AMR(各向異性磁阻效應(yīng)：Anisotropic magnetoresistance effect)元件、GMR(巨磁阻效應(yīng)：Giant magnetoresistance effect)元件、TMR(穿隧磁阻效應(yīng)：Tunnel magnetoresistance effect)元件，技術(shù)逐漸進(jìn)步，推進(jìn)了HDD的記錄密度飛躍性的提高。各種元件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AMR元件、GMR元件、TMR元件的結(jié)構(gòu)（模式圖）

TMR元件的磁性結(jié)構(gòu)與GMR元件基本相同，但GMR元件的電流平行于膜面流過(guò)，而TMR元件的電流垂直于膜面流過(guò)。
依靠先進(jìn)的薄膜過(guò)程技術(shù)制造的TMR元件是一種薄膜元件，具有2層強(qiáng)磁性體層（自由層/固定層）夾住1～2nm的薄絕緣體的勢(shì)壘層的結(jié)構(gòu)。固定層的磁化方向被固定，但自由層的磁化方向根據(jù)外部磁場(chǎng)方向而變，元件的電阻也隨之而變。當(dāng)固定層與自由層的磁化方向平行時(shí)，電阻最小，勢(shì)壘層流過(guò)大電流。另外，當(dāng)磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí)，電阻極端地變大，勢(shì)壘層幾乎沒(méi)有電流流過(guò)（圖2）。

圖2 TMR的原理圖左：當(dāng)自由層與固定層的磁化方向平行時(shí)，電阻變小，流過(guò)大電流。
圖右：當(dāng)自由層與固定層的磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí)，電阻變大，只流過(guò)微弱的電流。

TMR傳感器的輸出是AMR傳感器的20倍，GMR傳感器的6倍

元件電阻的變化比例用MR比這一數(shù)值表示。以前的AMR元件、GMR元件的MR比分別為3%、12%左右，而TMR元件甚至達(dá)到100%。在用2層強(qiáng)磁性體夾持非磁性體的金屬層(Cu等)的GMR元件上，電子的移動(dòng)表現(xiàn)出金屬的導(dǎo)電現(xiàn)象。而在TMR元件上，電子的移動(dòng)是量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。為此，在固定層與自由層處于反向平行的狀態(tài)，GMR元件具有電子"難以移動(dòng)"的特性，而TMR元件具有可以說(shuō)電子"根本不能移動(dòng)"的極端特性。這是TMR元件的MR比極大的原因，輸出表現(xiàn)出"YES或NO"、"1或0"的鮮明特性。
這也是現(xiàn)在的HDD將TMR元件當(dāng)作高密度播放元件利用的原因。因此，要是將發(fā)揮了高靈敏度特性的TMR元件當(dāng)作磁性傳感器利用，可獲得極大的輸出。實(shí)際上，TDK的TMR傳感器的輸出是AMR傳感器的20倍，GMR傳感器的6倍，達(dá)到3,000mV。圖3表示用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性傳感器的特性對(duì)比（施加電壓5V時(shí)）。

	AMR	GMR	TMR
MR比 [％]	3	12	100
輸出 [mV]	150	560	3300
溫度依存度 [%/℃]	-0.29	-0.23	-0.13

（施加電壓5V時(shí)）

圖3 用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性傳感器的特性對(duì)比

溫度漂移、老化也小，最適合車(chē)載電氣設(shè)備、產(chǎn)業(yè)設(shè)備

如果在TMR傳感器上使磁鐵旋轉(zhuǎn)，自由層的磁化方向追隨磁鐵的磁場(chǎng)方向，元件的電阻連續(xù)變化。由于電阻值與固定層和自由層的磁化方向的相對(duì)角成正比，可當(dāng)作角度傳感器利用（圖4）。

圖4 利用TMR元件支撐角度傳感器的原理

固定層的磁化方向被固定，自由層的磁化方向向外部磁場(chǎng)方向看齊。
由于元件的電阻值與固定層和自由層的磁化方向的相對(duì)角成正比，作角度傳感器，能夠檢測(cè)360°。
TDK的TMR傳感器的輸出甚至是霍爾元件的500倍，而且耗電量低（5mW/推薦條件下），因此作為面向車(chē)載用途的傳感器，具備最佳的特性。例如，可作為汽車(chē)的轉(zhuǎn)向角傳感器、EPS（電動(dòng)動(dòng)力轉(zhuǎn)向器）電機(jī)用角度傳感器，替代以前的霍爾元件的角度傳感器等。
溫度漂移（周?chē)鷾囟茸兓疠敵鲎兓┬∈莻鞲衅鞯幕緱l件。圖5的曲線對(duì)比了TDK的TMR傳感器與以前的AMR傳感器的角度誤差的溫度依存度。以前的AMR傳感器在低溫側(cè)、高溫側(cè)的角度誤差極大，而TDK的TMR傳感器在大的溫度范圍保持穩(wěn)定的角度精度（在磁場(chǎng)范圍20～80mT、溫度范圍-40～150℃的條件下，角度誤差±0.6°以下）。另外，老化小也是TDK的TMR傳感器的重大特點(diǎn)，除了在車(chē)載電氣設(shè)備上使用外，還可望在各種產(chǎn)業(yè)設(shè)備上得到活用。

圖5 角度誤差的溫度依存度（TDK的TMR傳感器與以前的AMR傳感器對(duì)比）

也作為旋轉(zhuǎn)傳感器、電流傳感器為節(jié)能行車(chē)做貢獻(xiàn)

傳感檢測(cè)技術(shù)也為汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性提高做出了巨大貢獻(xiàn)。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上，為發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（電子控制單元）計(jì)算燃油噴射的最佳時(shí)機(jī)與噴射量而獲取信息的傳感器有曲軸角度傳感器、凸輪角度傳感器。
曲軸角度傳感器、凸輪角度傳感器有各種方式，不過(guò)由于不易受磨損、灰塵等的影響，非接觸式的電磁傳感器成了主流。在曲軸、凸輪軸上安裝使用了磁性體的齒輪狀齒輪脈沖星（脈沖星轉(zhuǎn)子），然后用偏磁施加磁場(chǎng)，以非接觸的方式相對(duì)配置磁性傳感器。如果發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，齒輪脈沖星旋轉(zhuǎn)，齒輪的齒的凹凸使磁鐵產(chǎn)生的磁通密度交替變化，因此磁性傳感器將其作為脈沖信號(hào)取出，根據(jù)單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)速。為此，也被稱(chēng)作齒輪齒傳感器等。
TDK的TMR傳感器與使用了霍爾元件的傳感器等相比，具有靈敏度和輸出極高的特點(diǎn)，除了曲軸角度傳感器、凸輪角度傳感器外，作為ABS裝置的車(chē)輪速度傳感器也將實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的傳感檢測(cè)。作為管理蓄電池的充放電，作為實(shí)現(xiàn)節(jié)能化的電流傳感器，也值得期待。
近年來(lái)，在車(chē)載電氣設(shè)備、產(chǎn)業(yè)設(shè)備、民生設(shè)備上，磁性傳感器的需求擴(kuò)大了。有人認(rèn)為即使元件的特性差一點(diǎn)，也能通過(guò)使用方法（軟件）彌補(bǔ)傳感器的性能。然而，傳感器是一種轉(zhuǎn)換器，畢竟要求好的轉(zhuǎn)換效率。另外，為了實(shí)現(xiàn)更安全、更舒適的行車(chē)，也預(yù)測(cè)要求車(chē)載傳感器具有的檢測(cè)精度是以前的大約2倍。TDK的TMR傳感器是高輸出、高精度、溫度漂移和老化小、穩(wěn)定性高的劃時(shí)代的磁性傳感器，應(yīng)對(duì)今后嚴(yán)格的要求精度綽綽有余。TDK為了應(yīng)對(duì)多樣化的應(yīng)用，正在努力進(jìn)一步擴(kuò)充產(chǎn)品陣容。

審核編輯：彭菁