TMR技術(shù)壁壘難破，傳感器高端性能仍有差距

傳感器在我們的日常生活中扮演著重要角色，在許多我們看不到的地方支撐著我們智能化的生活。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測(cè)量電路組成，再加上相應(yīng)的放大電路等等就構(gòu)成了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的組成部分越多，那么對(duì)每個(gè)組成部分的靈敏度及誤差要求就越高。

隨著需求的不斷發(fā)展，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)也越來越高，總的看來，寬頻率響應(yīng)，大動(dòng)態(tài)范圍，高靈敏度，高精度，高穩(wěn)定性和重復(fù)性是發(fā)展趨勢(shì)。開環(huán)的傳感器系統(tǒng)越來越難滿足這樣的需求。因此結(jié)合了反饋技術(shù)的閉環(huán)傳感成了滿足這些要求的更完整的傳感器系統(tǒng)。這種模式中又以TMR技術(shù)最為先進(jìn)。TMR是指在鐵磁—絕緣體薄膜—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)具有磁電阻效應(yīng)大、磁場(chǎng)靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求和成本都很高的傳感器隨著材料與元器件以及電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在其應(yīng)用愈發(fā)廣泛。

TDK的閉環(huán)傳感器CUR 423x就是基于TMR技術(shù)，在大電流的無聚磁芯應(yīng)用上頗為廣泛。

（TDK）

CUR 423x是為了汽車和工業(yè)應(yīng)用中的電流測(cè)量而開發(fā)的，已經(jīng)在汽車產(chǎn)品中通過了驗(yàn)證，采用的是高精度，線性閉環(huán)TMR技術(shù)。CUR 423x是該系列中第一款支持大電流直流和交流測(cè)量的產(chǎn)品，能測(cè)量1200A以上的電流。供電電流和感應(yīng)電流的隔絕，對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的高壓電池管理系統(tǒng)尤為有益。極佳的信噪比和全溫度范圍下全量程小于1%的總誤差，使得該產(chǎn)品能在上至5kHz帶寬的應(yīng)用中進(jìn)行精確電流測(cè)量。

CUR 423x的磁通量密度范圍可以是±7mT或者±40mT。磁場(chǎng)范圍可以精調(diào)，支持不同應(yīng)用的電流范圍。輸出也是可調(diào)節(jié)的，比如符合SENT、SPI或者全比率測(cè)量模擬，靈活適應(yīng)各種應(yīng)用的要求。

此外，CUR 423x還集成了數(shù)字補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、低通濾波等輔助技術(shù)。為了確保整個(gè)傳感器系統(tǒng)的可靠性，還集成了符合ASIL-B功能安全等級(jí)的多種診斷功能。所有閉環(huán)電路必須的元件，比如補(bǔ)償線圈、分流電阻和TMR傳感電橋都集成在一個(gè)1毫米的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TSSOP16 SMD封裝里。無需使用聚磁芯因而在尺寸和成本上很有優(yōu)勢(shì)。

Crocus是第一批專注TMR技術(shù)的公司，它代表了TMR技術(shù)在世界范圍的技術(shù)風(fēng)向。Crocus獨(dú)有的XtremeSense TMR技術(shù)讓旗下產(chǎn)品有著極高的靈敏度、最低的功耗和最小的尺寸。

（Crocus）

CT100，Crocus旗下的一款非接觸式的TMR電流傳感器。它是一種具有寬動(dòng)態(tài)范圍的高線性器件，使其能夠用于從非接觸式電流感測(cè)到線性到接近測(cè)量等各種應(yīng)用。CT100的靈敏度范圍為最大為±50mT，同樣能夠測(cè)量超過1000A以上的電流，電流測(cè)量范圍大于±1000A的指標(biāo)可以說是行業(yè)高端TMR技術(shù)的一個(gè)硬性指標(biāo)。

在±20mT的測(cè)量范圍下，CT100有著小于0.5%的總誤差，這種級(jí)別的線性度上下幅度可以說是業(yè)內(nèi)天花板了。這也可以看出作為第一批專注TMR技術(shù)的公司，Crocus在技術(shù)上的領(lǐng)先，尤其是測(cè)量精度上的領(lǐng)先。

上面說到，這種技術(shù)下的傳感器芯片，尺寸一直是困擾其拓展應(yīng)用的攔路虎。而CT100采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6引腳SOT23封裝和超薄、小尺寸6引腳DFN封裝，較小的尺寸也讓它可以在物聯(lián)網(wǎng)以及移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用中大有所為。

多維科技是國(guó)內(nèi)最早開始TMR技術(shù)研發(fā)的公司，通過引入國(guó)外先進(jìn)技術(shù)打破TMR芯片的國(guó)外壟斷。

（多維科技）

上圖是多維TMR低成本線性磁傳感系列的TMR2009，采用了一個(gè)獨(dú)特的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含四個(gè)非屏蔽高靈敏度TMR傳感器元件。當(dāng)外加磁場(chǎng)沿平行于傳敏方向變化時(shí)，惠斯通全橋提供差分電壓輸出并且該輸出具有良好的溫度穩(wěn)定性。

TMR2009同樣覆蓋±1000A，在這個(gè)指標(biāo)上并沒有落入下風(fēng)，相比于其他非一線的TMR玩家這一指標(biāo)是可以碾壓的，尤其在電流檢測(cè)領(lǐng)域。同時(shí)±20mT的范圍區(qū)間也是高端玩家的基準(zhǔn)值。

在測(cè)量范圍層面，多維是絲毫不落下風(fēng)的。但是多維±1.2%的線性誤差范圍相較于前兩家的±1%和±0.5%就體現(xiàn)出差距了。這種線性度的誤差幅度，直接導(dǎo)致了測(cè)量的精準(zhǔn)度大幅下降，是應(yīng)用上的短板。尤其是在多干擾因素的應(yīng)用環(huán)境下，這看似不太大的差距將會(huì)帶來截然不同的測(cè)量結(jié)果。

封裝上TMR2009采用了SOT23-5（3mm×3mm×1.45mm）封裝形式，相較于CT100的封裝，仍然顯得有些大。這類器件如何小型化是每一個(gè)廠商都需要解決的難點(diǎn)，畢竟新興的需求都建立在小型化的基礎(chǔ)上。

TMR這項(xiàng)技術(shù)，國(guó)外有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，就算是國(guó)內(nèi)最早研究該技術(shù)的多維也僅有十年歷史。拋開國(guó)內(nèi)外格局，單從技術(shù)來看，如何在封裝大小、線性度、敏感度、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、接觸形態(tài)以及成本上做出差異和優(yōu)勢(shì)，這是值得關(guān)注的問題。而歸根到底，材料和制造水平的發(fā)展才是重中之重。