隧穿磁阻技術,磁傳感器的領軍者

隧穿磁阻技術，磁傳感器的領軍者

2020年12月24日 12:05作者：黃頁編輯：黃頁

對於業內人士來說,磁阻的概念可以說是一個並不陌生的名詞: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)。物質在磁場中電阻率發生變化的現象稱為磁阻效應。同霍爾效應一樣,磁阻效應也是由於載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。從一般磁阻開始,磁阻發展經歷了常磁阻(OMR),異向磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),隧穿磁阻(TMR)的過程。

也伴隨著近年來磁阻效應的廣泛應用,磁阻器件在工業、交通、儀器儀表、醫療器械、探礦等領域得到深度器重。然而比較可惜的是,無論國內國外,技術要求和表現相對更靠後的一代磁傳感器——霍爾傳感器一直都是廠家的青睞之選,而已經得到技術成熟度催化的第四代磁傳感器——隧穿磁阻(TMR)卻鮮有問津。

然而由於近一年來國內對於太陽能光伏、公共充電樁領域的技術剛需,TMR逐步開始嶄露頭角,行業對於TMR的角色和求知慾也與日俱增。今天就為大家好好介紹一番關於TMR技術的優勢和應用方向。

TMR,磁傳感器的第四代先鋒

TMR(Tunnel Magneto Resistance),全稱隧穿磁阻技術,最早是用在硬碟中的磁性讀寫功能上,享譽盛名的MRAM磁性隨機存取內存就是基於此。也正是因為其對磁場檢測的精度、準確度相當高,並且使用壽命和穩定性相比前幾代磁傳感技術都會更好,所以其元件,尤其是磁電阻效應傳感器,在近年來開始受到工業領域的廣泛衍生和應用。

針對磁傳感器的發展歷程,無論是第一代的霍爾傳感器,還是之後的AMR傳感器、GMR傳感器,包括現在的TMR傳感器,本質都是對磁場,尤其是對電磁場的利用。而相比較之下,TMR傳感器的優勢在於其遙遙領先的穩定性、靈敏度、小封裝以及低功耗等等,相比前幾代在性能上都有至少十多倍的提升。而這些特性參數上的突破,又給許多產業和產品的功能塑造上提供了更多樣的可能性。

從功能上看,TMR傳感器的應用主要分為三類:線性位置測量、角度測量和電流測量。這三類TMR傳感器的應用基本覆蓋和滿足了當前國內所有工業自動化技術、家用電器、商標識別、衛星定位、導航系統以及精密測量技術等等方面的應用。接下來我們就具體來看下。

TMR在線性位置上的應用價值和方向

TMR傳感器在線性位置測量上最大的應用莫過於在液位計上的使用了。例如在汽車油箱存量上的檢測,就可以利用TMR傳感器。其原理是利用磁傳感器之間的磁場讀寫功能,當油箱液位下降到下一個傳感器的位置時候,磁場讀寫輸出信號為1,其他為0,同時利用TMR傳感器在反應靈敏度和精確度的優勢,就可以第一時間反饋出當前油箱的即時存量。

而在這個基礎上,如果要獲得更精細的測量液體下降的高度,得到更精準的刻度,一種方法是通過增加傳感器數量,縮小傳感器之間的距離來達成,另一種方法則更為先進,設定之後的傳感器是一個位置滑動性組件,那就可以讓磁場信號讀寫在一個限定區間裡進行,這樣不僅可以大量減少成本,同時也可以達到精細化刻度的目標。

另一個比較普及的線性位置應用,其實來自於我們日常接觸到的遊戲手柄。其實一些高端手柄,如XBOX手柄的扳機鍵已經運用到了霍爾傳感器,但其實搖杆的設定也會適合磁傳感器發揮功能。相比較運用電位器的機械式結構。磁傳感器的遊戲手柄的優勢是非常明顯的。一方面毫無疑問是對於靈敏度的應需,另一方面在於技術成本的減小。這裡的成本指的是整體的製造成本,儘管磁傳感器的獨立成本一定會高於電位器,但是機械結構勢必意味著從封裝和線路排列,會損耗更多的投入,但是磁傳感器的應用和植入其實蠻「傻瓜」的,就可以綜合性地縮減成本開支。

TMR在角度測量上的應用價值和方向

而在家庭電器方面,尤其在高端家庭電器領域,TMR傳感器在角度測量方面的應用扮演起了主要的角色。家庭電器傳統按鈕從最原始的固定式旋鈕變成了固定按鈕式,然後又把按鈕做進了面板內,這樣一方面縮小電器的不規則體積,方面收納和清洗,另一方面滿足了高定產品的高級感。但缺點也立竿見影,從旋鈕到按鈕的更迭,從應用上看,某種程度上是犧牲了更精細化功率輸出能力的。因此,TMR技術得到了用武之地。利用磁阻效應,我們可以把旋鈕設為非固定式,甚至是非接觸式外置配件,這樣就同時兼顧到更精準的功率控制和輸出能力,也滿足電器方便收納和清洗的使用需求。另一方面,從產品生態發展的趨勢來看,這種應用也是符合智能家居生態進化論的,同樣的旋鈕外置配件,是可以用來同時控制灶具、冰箱、洗衣機、空調、電燈等所有開關組件的功率調整和開閉合狀態的,這種生態化的統合控制相比目前市面上比較多的智能系統的語音控制也會更精確和自主。

角度測量的原理本質是利用磁場變量和三角函數,去測量偏轉角度,然後把再用偏轉角度去控制家電的輸出功率上。

TMR在電流測量上的應用價值和方向

電流測量,可能是TMR傳感器最大的應用方向了。一般來說,普通器件測量電流的原理比較簡單,在流通環節上,去安置電阻,然後測量通過電阻的電流。但是缺點也很大。一個是對於大電流的測量,就必須串聯或者使用大電阻,一方面加大了成本,同時也不得不組裝成大體積結構;另一方面則是在超低電流的檢測方面,因為移動智能設備的發展、物聯網和生物技術的擴展衍生,器件工作電流突破安培級和毫安級,可能會低至微安級,甚至更低,因此用傳統控制電阻方法測電流就會意味著需要非常複雜的設備進行搭配測量,簡單地原理,但是非常複雜的工藝。而磁傳感器就完全不會有這些問題。即時是第一代霍爾傳感器,都可以巧妙運用聚磁環結構來放大磁場,而且體積重量相比電阻測量都會降低不只一個維度。那作為第四代的TMR傳感器又表現如何呢?霍爾傳感器的缺陷是功耗大,線性度差,而且聚磁環結構在磁傳感器領域裡算是臃腫級的配置了。TMR傳感器檢測電流的原理是,通過檢測銅導線結構上所產生的電磁場,再通過運算來得到電流大小。它在去掉了聚磁環結構的基礎上,比霍爾傳感器有更好的溫度穩定性、更高的靈敏度、更低的功耗,以及更好的線性度。這些優勢也同樣存在於和AMR傳感器和GMR傳感器的比較優勢裡。

正因為這一特性,讓TMR傳感器在充電樁和光伏太陽能板上有著得無與倫比的優勢。儘管我知道國內目前主要在公共充電樁領域運用的是霍爾傳感器去檢測電流,但這並不影響TMR傳感器是更好的選擇。因為相對來說,霍爾傳感器成本和封裝工藝難度會比TMR更便宜和簡單這是事實,但是從效果出發,霍爾傳感器響應時間慢、體積大、收到外部溫度影響導致的報錯率高,這也是無法推諉的事實。而從充電樁的發展趨勢來看,未來交流電電樁和交直流一體電樁的普及度會是大趨勢,同時單樁1拖2,1拖4的樁體結構勢必要求城市內總樁數的電功率損耗有個精確計算,從這個方面想,霍爾傳感器就會逐步顯示和放大自身的性能缺陷。

說完了TMR,我們再來說說國內目前具有TMR領先技術的公司,其實國內做霍爾的會比較多,因為市場普及度高和成本低的關係,霍爾的應用市場需求會比較大,相對地技術發展就會比較得到青睞。TMR此類算是新型科技元件和技術,在有條件有技術的公司裡就會顯得鳳毛麟角一些。目前具有該項產品技術的公司裡,比較大的,如TDK,Murata村田,還有一些小型的科技公司,如多維等等。但技術的前沿性給了國內該項技術的公司不小的壁壘性,隨著本土TMR玩家的增加,可以預見距離最新的磁傳感器應用普及越來越近了。

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