隧道磁阻技術(shù)（TMR）及其應(yīng)用簡介

（浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 Magtron段康靖）

一、概述

1、磁阻概念：材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化量稱為磁阻（Magnetoresistance）。物質(zhì)在磁場中電阻率發(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、GPS導(dǎo)航、儀器儀表、磁存儲(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、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。

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、磁場靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢，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鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。

圖1 TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

TMR磁傳感器利用磁場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算外磁場的變化。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?；窘Y(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。

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(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，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

由TMR材料制成各種高靈敏度磁傳感器，用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進(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，能滿足應(yīng)對自動化技術(shù)、家用電器、商標(biāo)識別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測量技術(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——被檢測信號的強(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)境測量。

（1）電流傳感器：需要檢測到nA級別的電流，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)致磁性信號變得非常微弱

（4）太空環(huán)境測量：分辨率<0.015nT

（5）基于磁性異常檢測的海洋布防等：<0.02pT的檢測分辨率

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：可以檢測到0.0001m3的即時流量（> 10 kHz）

（2）汽車電子行業(yè)：部件的精密控制，要求信號的頻率越來越高（> 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（磁性異常檢測儀、電子指南針、手持式磁場探測儀等）

（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)生的雜散磁場為地磁場的50倍以上；

（2）金融磁頭：內(nèi)部的各種電機(jī)產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度為磁性油墨磁場的50倍以上；

（3）POS機(jī)磁頭：手機(jī)信號的磁場為磁頭磁場的5倍以上；

（4）水表、氣表等；

（5）汽車電子：發(fā)動機(jī)、運(yùn)動部件以及各種電線產(chǎn)生磁場的可以在10 Gs以上

6、小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求，這就需要芯片級的集成，模塊級集成，產(chǎn)品級集成

（1）芯片級的集成：傳感器 + ASIC數(shù)字式輸出、標(biāo)準(zhǔn)化輸出

（2）模塊級集成：芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實(shí)現(xiàn)

（3）產(chǎn)品級集成：模塊 + 產(chǎn)品功能化、智能化

四、TMR技術(shù)在電流檢測領(lǐng)域的優(yōu)勢

電流傳感器是能將被測體的電流的信息，按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

目前電流傳感器檢測技術(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)磁場強(qiáng)度來測量電流、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。

普通器件測量通過器件的電流非常簡單，因?yàn)殡娏麟娖较鄬^高，為毫安甚至安培級。隨著移動智能設(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甚至更低，因此需要更復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行測量。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，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，同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線圈對其進(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，因此其對磁場檢測的精度、準(zhǔn)確度以及壽命可靠性在硬盤中經(jīng)過了幾十年的市場檢驗(yàn)。在檢測電流時是通過檢測銅排和導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁場，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。

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)

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，并能全芯片級制程控制提供可靠的品質(zhì)和合理的價格。

五、TMR磁傳感器產(chǎn)品在各個領(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。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。

圖3智能水表

圖4智能氣表

2、在電動汽車領(lǐng)域，電動汽車上需要檢測電流的地方很多，比如BMS,MCU,PDU，車載充電器，DC-DC等目前行業(yè)內(nèi)對電流的檢測和監(jiān)控，除了一些高端車型會采用精度更高、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)下國產(chǎn)的HALL開環(huán)方案市場價更是有朝3美金方向走的趨勢。

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。尤其是在電動汽車行業(yè)，動力模塊的小型化是各家車廠都競相研究的方向。

TMR（穿隧磁阻效應(yīng)）電流傳感器，這種方案可實(shí)現(xiàn)級小體積的芯片來精確檢測銅排或者導(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。

圖5微安級TMR電流傳感器

3、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(dá)國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(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)。

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。

圖 7 高精度低成本的TMR芯片級傳感器

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)車輛對地磁的擾動特征識別出來，精度高、體積小、易于安裝維護(hù)、全天候工作。

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(diǎn)和關(guān)鍵。