TMR傳感器的原理和特性以及其應用解析

在美國拉斯維加斯舉辦的全球最大電子產品展覽會「2018年消費類電子產品展銷會（CES 2018）」的 TDK和AKM的展臺上發布了一款高精度3軸磁力計。

該磁力計將TDK公司開發的高度靈敏的隧道磁阻（TMR）元件與AKM公司設計的先進電子羅盤ASIC組合到一個小型LGA 11針封裝內。該新型TMR磁力計附在一塊晶片上，微型尺寸僅為1.6毫米 x 1.6毫米x 0.6毫米，而其特點是具有業內最低的RMS噪音，僅為40 nT-rms，且在在輸出數據速率為100Hz時, 電流消耗亦非常低，僅為40 µA。

由於具有10 nT/LSB（最低有效位）的高靈敏度，該磁傳感器可以非常精確地檢測磁場內細小變化，從而能夠在地球磁場或磁場發生器的幫助下高度準確地探測位置和方位。這些獨一無二的特點使得TMR磁力計適用於緊湊型電子設備上，例如：智慧型手機、平板電腦、遊戲機控制器和各種各樣的可穿戴設備，以及需要位置和方位精度高的其他應用，例如：虛擬實境、增強現實或混合現實（VR、AR和MR）或室內導航。

磁傳感器

磁傳感器是種類繁多的傳感器中的一種，它能夠感知與磁現象有關的物理量的變化，並將其轉變為電信號進行檢測，從而直接或間接地探測磁場大小、方向、位移、角度、電流等物理信息，廣泛應用於信息、電機、電力電子、能源管理、汽車、磁信息讀寫、工業自動控制及生物醫學等領域。

隨著科技進步和信息技術的發展，人們對磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩定性及功耗等提出了越來越高的要求。

廣泛應用的磁傳感器主要是基於電磁感應原理、霍爾效應及磁電阻效應等。其中基於磁電阻效應的傳感器由於其高靈敏度、小體積、低功耗及易集成等特點正在取代傳統的磁傳感器。

目前市場上主要的磁傳感器晶片是基於霍爾效應、各向異性磁電阻(AMR)和巨磁電阻(GMR)效應而開發的，而由於TMR磁傳感器晶片擁有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高響應頻率和高靈敏度特性，使其將會成為未來競爭的制高點。

TMR隧道磁阻傳感器

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

國外薄膜磁電阻傳感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技術已經成熟並已開始大規模量產。TMR傳感器目前主要應用在硬碟磁頭和磁性內存領域，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NVE公司小規模量產GMR傳感器和少量的Spin—Valve傳感器。

TMR磁傳感器晶片的研發和生產依賴於納米薄膜及納米級電子元器件的生產設備、生產工藝與技術以及晶片的設計等多個環節。TMR技術主要掌握在國外的硬碟製造企業手中，而磁傳感器製造企業普遍缺乏n很晶片制各技術、人才和生產經驗。

在全世界範圍內，國際上也只有美國的兩家公司能夠小批量生產TIvIR磁傳感器晶片，包括美國的NVE和Micro Magnetics，而國內受設備和人才的限制，直到2010年，才逐漸填補這一領域的空白。

TMR傳感器的原理和特性

基於磁電阻效應磁信號可以轉變為電信號，除了龐磁電阻(CMR)效應受到溫度區間和工作磁場的限制而很難應用以外，其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應都可以應用於磁傳感器中。

目前，AMR傳感器已經大規模應用；GMR傳感器正方興未艾，快速發展。TMR傳感技術最早應用於硬碟驅動器讀出磁頭，大大提高了硬碟驅動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態範圍優點於一體，因而在各類磁傳感器技術中，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術優勢，其各項性能指標均遠優於其他類型的傳感器，表1給出了三種效應的傳感器技術比較。

TMR效應的產生機理和特點

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

在磁性隧道結 MTJs中, TMR 效應的產生機理是自旋相關的隧穿效應。 MTJs的一般結構為鐵磁層 /非磁絕緣層 /鐵磁層 ( FM / I/FM )的三明治結構.。飽和磁化時,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, 矯頑力小的鐵磁層磁化矢量首先翻轉, 使得兩鐵磁層的磁化方向變成反平行。電子從一個磁性層隧穿到另一個磁性層的隧穿機率與兩磁性層的磁化方向有關。

TMR效應的產生機理示意圖

若兩層磁化方向互相平行, 則在一個磁性層中, 多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態, 少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態, 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, 即在一個磁性層中, 多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態, 而少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態, 這種狀態的隧穿電流比較小。 因此, 隧穿電導隨著兩鐵磁層磁化方向的改變而變化, 磁化矢量平行時的電導高於反平行時的電導。通過施加外磁場可以改變兩鐵磁層的磁化方向, 從而使得隧穿電阻發生變化, 導致TMR效應的出現。

MTJs中兩鐵磁層電極的自旋極化率定義為

式中 和 N 分別為鐵磁金屬費米面處自旋向上和自旋向下電子的態密度。

由 Julliere模型可以得到

或者

式中

在研究中，不同的學者對 TMR值的定義不同, 有的學者採用 ( 2) 式的定義, 但最近幾年, 大部分學者都採用 ( 3)式的定義。

TMR磁傳感器產品應用

TMR磁傳感器產品應用TMR磁傳感器的應用非常廣泛，包括工業控制、金融器具、生物醫療、消費電子、汽車領域等，其典型特徵是低功耗、小尺寸、高靈敏度。薛松生博士給我們舉了幾個案例。

在流量計領域中，智能水錶、智能熱量表一般都採用電池供電，因此對傳感器的功耗要求非常苛刻。當前水錶方案採用幹簧管、低功耗霍爾器件以及韋根傳感器等，要麼頻率響應非常低導致測量精度不夠，要麼就是功耗很大導致電池壽命很短。而採用韋根傳感器的智能熱量表電路複雜，可靠性差，小流量的測量也不精確。另外，採用霍爾器件的傳統電錶方案溫度性能比較差，由於靈敏度低需要額外增加聚磁環，導致體積和成本增加。目前，採用兩個TMR超低功耗磁傳感器的方案，根據葉輪轉動的磁場變化測量轉速，得到水錶的瞬時流量，並且功耗非常低（超低功耗全極磁開關MMS2X1H，雙極磁開關MMS1X1H，全時供電下只有1.5uA電流，頻響大於1KHZ）。在智能電錶中，基於TMR磁傳感器（如TMR501、TMR503）的電錶比傳統霍爾器件電錶體積更小、成本更低、精度更高、溫度特性更好。

智能水錶

智能氣表

在金融器具領域，國內的金融設備主要採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，均無法與其他發達國家尤其是日本的金融磁頭相比，更加嚴重的是產品一致性存在問題，量產工藝不穩定，無法大批量生產。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（如MMGB015、MMGB065、MMGB18S）是專門用於紙幣、銀行票據、證券磁特性的檢測、識別的新型純阻抗驗鈔磁頭，主要應用於點驗鈔機、清分設備、ATM、各類自動售貨機讀鈔、驗鈔模組和磁卡讀頭，具有高靈敏度、高信噪比、高頻響等特點。

(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、橋梁等鋼絲繩無損探傷方面，基於TMR磁傳感器的產品（如TMR2703、TMR2705、TMR2901、TMR2903）能夠利用弱磁檢測精確定位繩索的表面缺陷和內部缺陷，與目前幾萬、幾十萬的檢測系統相比精度更高、價格更加親民、檢測更加方便。

在智能停車管理系統領域，與傳統的地感線圈、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車輛對地磁的擾動特徵識別出來，精度高、體積小、易於安裝維護、全天候工作。

在醫療領域，例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒結合的實驗，通過血液中的磁珠體積變化從而判斷病人的病情，而TMR磁傳感器能夠精準的監測出磁珠體積是否變大。

基於TMR磁傳感器的產品在智慧家庭和智能汽車領域將會拓展更多的應用。

由於 TMR材料同時具備工作磁場低、靈敏度高、熱穩定性好等特性，因此，與 GMR 效應相比，TMR效應具有更為廣闊的應用前景。研究與開發室溫 TMR 值高、熱穩定性好、 RA 值低、成本低的 TMR材料將是今後磁電阻材料領域工作的重點和關鍵。

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