第四代磁傳感器——TMR隧道磁阻傳感器

?

磁傳感器

磁傳感器是種類繁多的傳感器中的一種，它能夠感知與磁現(xiàn)象有關(guān)的物理量的變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而直接或間接地探測(cè)磁場(chǎng)大小、方向、位移、角度、電流等物理信息，廣泛應(yīng)用于信息、電機(jī)、電力電子、能源管理、汽車、磁信息讀寫(xiě)、工業(yè)自動(dòng)控制及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

隨著科技進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩(wěn)定性及功耗等提出了越來(lái)越高的要求。

廣泛應(yīng)用的磁傳感器主要是基于電磁感應(yīng)原理、霍爾效應(yīng)及磁電阻效應(yīng)等。其中基于磁電阻效應(yīng)的傳感器由于其高靈敏度、小體積、低功耗及易
集成等特點(diǎn)正在取代傳統(tǒng)的磁傳感器。

目前市場(chǎng)上主要的磁傳感器芯片是基于霍爾效應(yīng)、各向異性磁電阻(AMR)和巨磁電阻(GMR)效應(yīng)而開(kāi)發(fā)的，而由于TMR磁傳感器芯片擁有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高響應(yīng)頻率和高靈敏度特性，使其將會(huì)成為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。

TMR隧道磁阻傳感器

主流的磁傳感器仍然是半導(dǎo)體霍爾器件，但其本身存在的靈敏度低、容易受應(yīng)力和溫度影響、響應(yīng)頻率低以及功耗大的缺點(diǎn)，使其主導(dǎo)地位正不斷受到磁電阻傳感器的沖擊。

國(guó)外薄膜磁電阻傳感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技術(shù)已經(jīng)成熟并已開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)。TMR傳感器目前主要應(yīng)用在硬盤磁頭和磁性內(nèi)存領(lǐng)域，代表廠商：Seagate／WD／TDK；AMR器件代表廠商有：HoneyWell／NEC／日本旭化成／西門子；美國(guó)NVE公司小規(guī)模量產(chǎn)GMR傳感器和少量的Spin—Valve傳感器。

TMR磁傳感器芯片的研發(fā)和生產(chǎn)依賴于納米薄膜及納米級(jí)電子元器件的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與技術(shù)以及芯片的設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。TMR技術(shù)主要掌握在國(guó)外的硬盤制造企業(yè)手中，而磁傳感器制造企業(yè)普遍缺乏n很芯片制各技術(shù)、人才和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

在全世界范圍內(nèi)，國(guó)際上也只有美國(guó)的兩家公司能夠小批量生產(chǎn)TIvIR磁傳感器芯片，包括美國(guó)的NVE和Micro Magnetics，而國(guó)內(nèi)受設(shè)備和人才的限制，直到2010年，才逐漸填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白。

TMR傳感器的原理和特性

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(wú)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，表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。

?

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理和特點(diǎn)

在鐵磁材料中, 由于量子力學(xué)交換作用, 鐵磁金屬的 3d軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂, 使費(fèi)米( Ferm i)面附近自旋向上和向下的電子具有不同的能態(tài)密度。

在磁性隧道結(jié) MTJs中, TMR 效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層( FM / I/FM )的三明治結(jié)構(gòu).。飽和磁化時(shí),兩鐵磁層的磁化方向互相平行, 而通常兩鐵磁層的矯頑力不同, 因此反向磁化時(shí), 矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉(zhuǎn), 使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個(gè)磁性層隧穿到另一個(gè)磁性層的隧穿幾率與兩磁性層的磁化方向有關(guān)。

?

TMR效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理示意圖

若兩層磁化方向互相平行, 則在一個(gè)磁性層中, 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;若兩磁性層的磁化方向反平行, 情況則剛好相反, 即在一個(gè)磁性層中, 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)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài), 這種狀態(tài)的隧穿電流比較小。因此, 隧穿電導(dǎo)隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化, 磁化矢量平行時(shí)的電導(dǎo)高于反平行時(shí)的電導(dǎo)。通過(guò)施加外磁場(chǎng)可以改變兩鐵磁層的磁化方向, 從而使得隧穿電阻發(fā)生變化, 導(dǎo)致TMR效應(yīng)的出現(xiàn)。

MTJs中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為

?

式中和 N 分別為鐵磁金屬費(fèi)米面處自旋向上和自旋向下電子的態(tài)密度。

由Julliere模型可以得到

?

或者

?

式中

?

?分別為兩鐵磁層磁化方向平行和反平行時(shí)的隧穿電阻，

?

?分別為兩鐵磁層電極的自旋極化率。顯然, 如果

?

?均不為零, 則 MTJs中存在 TMR 效應(yīng)，且兩鐵磁層電極的自旋極化率越大，TMR 值也越高。

在研究中，不同的學(xué)者對(duì) TMR值的定義不同, 有的學(xué)者采用( 2)式的定義, 但最近幾年, 大部分學(xué)者都采用( 3)式的定義。

TMR磁傳感器產(chǎn)品應(yīng)用

TMR磁傳感器產(chǎn)品應(yīng)用TMR磁傳感器的應(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。薛松生博士給我們舉了幾個(gè)案例。

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常苛刻。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（超低功耗全極磁開(kāi)關(guān)MMS2X1H，雙極磁開(kāi)關(guān)MMS1X1H，全時(shí)供電下只有1.5uA電流，頻響大于1KHZ）。在智能電表中，基于TMR磁傳感器（如TMR501、TMR503）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。

?

智能水表

?

智能氣表

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(wú)論是檢測(cè)精度和信噪比，還是磁頭的尺寸，均無(wú)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(wèn)題，量產(chǎn)工藝不穩(wěn)定，無(wú)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（如MMGB015、MMGB065、MMGB18S）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)。

?

(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

在電梯、礦洞、橋梁等鋼絲繩無(wú)損探傷方面，基于TMR磁傳感器的產(chǎn)品（如TMR2703、TMR2705、TMR2901、TMR2903）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(wàn)、幾十萬(wàn)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。

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(wú)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(lái)，精度高、體積小、易于安裝維護(hù)、全天候工作。

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(guò)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(kāi)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。

?