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TMR傳感器原理及優(yōu)勢

jf_pJlTbmA9 ? 來源:TDK ? 作者:TDK ? 2023-08-22 10:36 ? 次閱讀
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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。

wKgZomTCT7eALRCzAAAa09cZdss959.png

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,而TMR元件的電流垂直于膜面流過。
依靠先進(jìn)的薄膜過程技術(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,勢壘層流過大電流。另外,當(dāng)磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí),電阻極端地變大,勢壘層幾乎沒有電流流過(圖2)。

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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比(施加電壓5V時(shí))。

AMR GMR TMR
MR比
[%]
3 12 wKgaomTCT7yAfTlnAAAA5UFINxU510.png
100
輸出
[mV]
150 560 wKgaomTCT7yAfTlnAAAA5UFINxU510.png
3300
溫度依存度
[%/℃]
-0.29 -0.23 wKgaomTCT7yAfTlnAAAA5UFINxU510.png
-0.13

(施加電壓5V時(shí))

wKgZomTCT8GATIduAAAaMta8xmE786.png

圖3 用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性傳感器的特性對比

溫度漂移、老化也小,最適合車載電氣設(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角成正比,可當(dāng)作角度傳感器利用(圖4)。

wKgaomTCT8OASoc_AABOzWt-q1M025.png

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角成正比,作角度傳感器,能夠檢測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),因此作為面向車載用途的傳感器,具備最佳的特性。例如,可作為汽車的轉(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(周圍溫度變化引起輸出變化)小是傳感器的基本條件。圖5的曲線對比了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。

wKgaomTCT8eABuePAAAcrxgRMLA616.png

圖5 角度誤差的溫度依存度(TDK的TMR傳感器與以前的AMR傳感器對比)

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

傳感檢測技術(shù)也為汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性提高做出了巨大貢獻(xiàn)。在汽車發(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,以非接觸的方式相對配置磁性傳感器。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取出,根據(jù)單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)檢測轉(zhuǎn)速。為此,也被稱作齒輪齒傳感器等。
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裝置的車輪速度傳感器也將實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的傳感檢測。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,在車載電氣設(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,也預(yù)測要求車載傳感器具有的檢測精度是以前的大約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)對今后嚴(yán)格的要求精度綽綽有余。TDK為了應(yīng)對多樣化的應(yīng)用,正在努力進(jìn)一步擴(kuò)充產(chǎn)品陣容。

審核編輯:彭菁

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