一、概述
1、磁阻概念:资料的电阻会因外加磁场而添加或削减,电阻的改变量称为磁阻(Magnetoresistance)。物质在磁场中电阻率发生改变的现象称为磁阻效应。同霍尔效应相同,磁阻效应也是因为载流子在磁场中遭到洛伦兹力而发生的。从一般磁阻开端,磁阻开展阅历了巨磁阻(GMR)、庞磁阻(CMR)、异向磁阻(AMR)、穿隧磁阻(TMR)、直冲磁阻(BMR)和反常磁阻(EMR)。
2、磁阻运用:磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、方位和视点传感器、车辆勘探、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等范畴。磁阻器材因为灵敏度高、抗干扰能力强等长处在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等范畴得到广泛运用,如数字式罗盘、交通车辆检测、导航体系、假钞检别、方位丈量等。
3、穿隧磁阻效应(TMR):穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁资猜中,其穿隧电阻巨细随两头铁磁资料相对方向改变的效应。TMR效应因为具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高级共同优势,然后展示出十分诱人的运用远景。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学根底。
二、穿隧磁阻效应(TMR)的物理简释
从经典物理学观念看来,铁磁层(F1)+绝缘层(I)+铁磁层(F2)的三明治结构底子无法完成电子在磁层中的穿通,而量子力学却可以完美解说这一现象。当两层铁磁层的磁化方向相互平行,大都自旋子带的电子将进入另一磁性层中大都自旋子带的空态,少量自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少量自旋子带的空态,总的隧穿电流较大,此刻器材为低阻状况;当两层的磁铁层的磁化方向反平行,状况则刚好相反,即大都自旋子带的电子将进入另一磁性层中少量自旋子带的空态,而少量自旋子带的电子也进入另一磁性层中大都自旋子带的空态,此刻隧穿电流较小,器材为高阻状况。可以看出,地道电流和地道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向,当磁化方向发生改变时,隧穿电阻发生改变,因而称为地道磁电阻效应。
图1 TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型
TMR磁传感器运用磁场改变引起磁电阻改变的原理,因而咱们可以经过TMR磁传感器的电阻改变来测算外磁场的改变。实践的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构杂乱。根本结构除了铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构外,还在上下添加顶电极层(upper contact)和底电极层(lower contact),两层电极直接与附近的磁层触摸。底电极层坐落绝缘基片(Insulating)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且坐落衬底(Substrate)的上方。
图2 TMR磁阻传感器的结构
三、TMR磁阻传感器的特性
依据磁电阻效应磁信号可以转变为电信号,除了庞磁电阻(CMR)效应遭到温度区间和作业磁场的约束而很难运用以外,其他AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以运用于磁传感器中。
现在,AMR传感器现已大规模运用;GMR传感器正方兴未已,快速开展。TMR传感技能最早运用于硬盘驱动器读出磁头,大大进步了硬盘驱动器的记载密度。它集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态规模长处于一体,因而在各类磁传感器技能中,TMR磁传感用具有无与伦比的技能优势,其各项功能指标均远优于其他类型的传感器,下表1给出了三种效应的传感器技能比较。
表1 三种MR传感技能比较
由TMR资料制成各种高灵敏度磁传感器,用于检测弱小磁场和对弱小磁场信号进行传感。此类传感用具有体积小、牢靠性高、呼应规模宽等优势,能满意应对主动化技能、家用电器、商标辨认、卫星定位、导航体系以及精细丈量技能等方面越来越严苛的要求。依据TMR技能制成的传感器有以下特色:
1、高灵敏度——被检测信号的强度越来越弱,需求磁性传感器灵敏度得到极大进步。运用方面包含电流传感器、视点传感器、齿轮传感器、太空环境丈量。
(1)电流传感器:需求检测到nA等级的电流,即便加上聚磁环,也需求磁性传感器自身的检测精度到达nT的水平
(2)视点传感器:<0.01的分辨率
(3)齿轮传感器:齿轮的精细化以及传感器到齿轮的距离的最大化,导致磁性信号变得十分弱小
(4)太空环境丈量:分辨率<0.015nT
(5)依据磁性反常检测的海洋设防等:<0.02pT的检测分辨率
2、温度稳定性——更多的运用范畴要求传感器的作业环境越来越严格,这就要求磁传感器有必要具有很好的温度稳定性,职业运用包含轿车电子职业。
(1)轿车电子职业:从滴水成冰的外部环境到滚烫的发动机内部都有必要作业
(2)智能电网:可以迎候百年一遇的冰冷,也能坚守在发热严峻的关闭体内
(3)航空航天范畴:在有保护的状况下,作业温度的跨度也是十分大的
3、高频特性——跟着运用范畴的推行,要求传感器的作业频率越来越高,运用范畴包含水表、轿车电子职业、信息记载职业。
(1)水表:可以检测到0.0001m³的即时流量(> 10 kHz)
(2)轿车电子职业:部件的精细操控,要求信号的频率越来越高(> 200 kHz)
(3)信息记载职业:要求数据传输率 > 1 GHz
4、低功耗——许多范畴要求传感器自身的功耗极低,得以延伸传感器的运用寿数。运用在植入身体内磁性生物芯片,指南针等等。
(1)植入身体内磁性生物芯片
(2)运用电池供电的水表/气表,以及微功耗智能电表
(3)室外/户外磁性传感器(磁性反常检测仪、电子指南针、手持式磁场勘探仪等)
(4)航空航天用磁性传感器
5、抗干扰性——许多范畴里传感器的运用环境没有任何评比,就要求传感器自身具有很好的抗干扰性。包含电子罗盘、金融磁头号。
(1)电子罗盘:大大都电路板发生的杂散磁场为地磁场的50倍以上;
(2)金融磁头:内部的各种电机发生的磁场的强度为磁性油墨磁场的50倍以上;
(3)POS机磁头:手机信号的磁场为磁头磁场的5倍以上;
(4)水表、气表等;
(5)轿车电子:发动机、运动部件以及各种电线发生磁场的可以在10 Gs以上
6、小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求,这就需求芯片级的集成,模块级集成,产等第集成
(1)芯片级的集成:传感器 + ASIC数字式输出、规范化输出
(2)模块级集成:芯片 + 外部磁铁 + 模具 + 电路根本功用的完成
(3)产等第集成:模块 + 产品功用化、智能化
四、TMR技能在电流检测范畴的优势
电流传感器是能将被测体的电流的信息,按必定规则改换成为契合必定规范需求的电信号或其他所需方式的信息输出,以满意信息的传输、处理、存储、显现、记载和操控等要求。
现在电流传感器检测技能有许多,常见的有电阻分流器、电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、Rogowski线圈,磁阻效应电流传感器,磁致弹性电流传感器和光线电流传感器等等。其间在现代工业和电子产品,以霍尔为代表的磁传感器运用最为广泛。
磁传感器以感应磁场强度来丈量电流、方位、方向等物理参数,磁传感器包含霍尔(Hall)元件,各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)以及穿隧磁阻效应(Tunnel Magnetoresistance,TMR)等元件为灵敏元件的传感器。
一般器材丈量经过器材的电流十分简略,因为电流电平相对较高,为毫安乃至安培级。跟着移动智能设备的遍及,物联网的运用和生物技能的开展,当今器材作业电流低至微安级乃至更低,因而需求更杂乱设备进行丈量。以霍尔元件为灵敏元件的磁传感器一般运用聚磁环结构来扩大磁场,进步霍尔输出灵敏度,然后添加了传感器的体积和分量,一起霍尔元件具有功耗大,线性度差的缺点。AMR元件尽管其灵敏度比霍尔元件高许多,可是其线性规模窄,一起以AMR为灵敏元件的磁传感器需求设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作,形成其制作工艺的杂乱,线圈结构的设置在添加尺度的一起也添加了功耗。以GMR元件为灵敏元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更高的灵敏度,可是其线性规模偏低。
TMR(TunnelMagnetoresistance)元件是近年来开端工业运用的新式磁电阻效应传感器, TMR技能开始是用在硬盘中磁性读写头上的,因而其对磁场检测的精度、准确度以及寿数牢靠性在硬盘中经过了几十年的商场查验。在检测电流时是经过检测铜排和导线上电流所发生的磁场,再经过芯片必定的运算来得到电流巨细。比较于之前所发现并实践运用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻改变率。TMR元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更好的线性度,不需求额定的聚磁环结构;相对于AMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更宽的线性规模,不需求额定的set/reset线圈结构;相对于GMR元件具有更好的温度稳定性,更高的灵敏度,更低的功耗,更宽的线性规模。下图是四代磁传感技能原理图。
图 3 磁传感技能开展进程
下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技能参数比照,可以更清楚直观的看到各种技能的好坏。
表格2各磁传感器技能参数
依据TMR芯片制作的电流传感器在高灵敏度,温度稳定性,抗干扰性,小型化、集成化、智能化和低功耗方面有着超卓的体现。作为第四代磁感应技能。灵敏度,分辨率,功耗,温度特性都有10倍以上的提高,并能全芯片级制程操控供给牢靠的质量和合理的价格。
五、TMR磁传感器产品在各个范畴中的实践运用
TMR磁传感器产品的运用十分广泛,包含工业操控、金融用具、生物医疗、消费电子、轿车范畴等,其典型特征是低功耗、小尺度、高灵敏度。
1、在流量计范畴中,智能水表、智能热量表一般都选用电池供电,因而对传感器的功耗要求十分严苛。当时水表计划选用干簧管、低功耗霍尔器材以及韦根传感器等,要么频率呼应十分低导致丈量精度不行,要么便是功耗很大导致电池寿数很短。而选用韦根传感器的智能热量表电路杂乱,牢靠性差,小流量的丈量也不准确。别的,选用霍尔器材的传统电表计划温度功能比较差,因为灵敏度低需求额定添加聚磁环,导致体积和本钱添加。现在,选用两个TMR超低功耗磁传感器的计划,依据叶轮滚动的磁场改变丈量转速,得到水表的瞬时流量,并且功耗十分低。在智能电表中,依据TMR磁传感器的电表比传统霍尔器材电表体积更小、本钱更低、精度更高、温度特性更好。
图3智能水表
图4智能气表
2、在电动轿车范畴,电动轿车上需求检测电流的当地许多,比方BMS,MCU,PDU,车载充电器,DC-DC等现在职业界对电流的检测和监控,除了一些高端车型会选用精度更高、呼应速度更快的HALL闭环电流传感器,遍及用的都是HALL开环计划。HALL电流传感器尽管HALL开环电流传感器的精度、线性度、呼应速度、温漂特性等功能方面均不如HALL闭环计划,可是轿车电气工程师遍及更在乎其能满意一般作业要求状况的经济性(4-10美金),当下国产的HALL开环计划商场价更是有朝3美金方向走的趋势。
HALL开环电流传感器的确有必定的经济性,可是其较肥壮的体积,要占用很大空间也越来越遭到工程师的诟病。尤其是在电动轿车职业,动力模块的小型化是各家车厂都竞相研讨的方向。
TMR(穿隧磁阻效应)电流传感器,这种计划可完成级小体积的芯片来准确检测铜排或许导线上电流,其精度、线性度、呼应速度和温漂特功可以比美HALL闭环计划,并且该计划的本钱乃至比HALL开环计划还有优势。
图5微安级TMR电流传感器
3、在金融用具范畴,国内的金融设备首要选用电感线圈和锑化铟磁头,无论是检测精度和信噪比,仍是磁头的尺度,均无法与其他发达国家尤其是日本的金融磁头比较,愈加严峻的是产品一致性存在问题,量产工艺不稳定,无法大批量出产。时至今日,全球(包含我国)高端金融磁头商场都被日本公司独占。TMR磁性辨认传感器是专门用于纸币、银行收据、证券磁特性的检测、辨认的新式纯阻抗验钞磁头,首要运用于点验钞机、清分设备、ATM、各类主动售货机读钞、验钞模组和磁卡读头,具有高灵敏度、高信噪比、高频响等特色。
图6(左)单通道TMR金融磁头(右上)6通道TMR金融磁头(右下)18通道TMR金融磁头
4、在电梯、矿洞、桥梁等钢丝绳无损探伤方面,依据TMR磁传感器的产品可以运用弱磁检测准确定位绳子的表面缺点和内部缺点,与现在几万、几十万的检测体系比较精度更高、价格愈加亲民、检测愈加便利。
图 7 高精度低本钱的TMR芯片级传感器
5、 在智能泊车办理体系范畴,与传统的地感线圈、超声波、RFID、红外线等判别泊车位上有无车辆比较,TMR线性磁传感器可以依据车辆对地磁的扰动特征辨认出来,精度高、体积小、易于装置保护、全天候作业。
图 8 TMR传感器用于泊车办理
6、在医疗范畴,例如血槽中磁珠表面的生物膜跟血液中不同的病毒结合的试验,经过血液中的磁珠体积改变然后判别患者的病况,而TMR磁传感器可以精准的监测出磁珠体积是否变大。
依据TMR磁传感器的产品在才智家庭和智能轿车范畴将会拓宽更多的运用。因为TMR资料一起具有作业磁场低、灵敏度高、热稳定性好等特性,因而,与GMR效应比较,TMR效应具有更为宽广的运用远景。研讨与开发室温TMR值高、热稳定性好、RA值低、本钱低的TMR资料将是往后磁电阻资料范畴作业的要点和要害。