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      2. 隧道磁阻技術(TMR)及其應用簡介

        2018-09-18 10:55:04 來源:n

                  (浙江巨磁智能技術有限公司 Magtron段康靖)

        一、概述

        1、磁阻概念: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,磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。從一般磁阻開始,磁阻發展經歷了巨磁阻(GMR)、龐磁阻(CMR)、異向磁阻(AMR)、穿隧磁阻(TMR)、直沖磁阻(BMR)和異常磁阻(EMR)。

        2、磁阻應用:磁阻效應廣泛用于磁傳感、磁力計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領域。磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強等優點在工業、交通、儀器儀表、醫療器械、探礦等領域得到廣泛應用,如數字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統、偽鈔檢別、位置測量等。

        3、穿隧磁阻效應(TMR):穿隧磁阻效應是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中,其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應。TMR效應由于具有磁電阻效應大、磁場靈敏度高等獨特優勢,從而展示出十分誘人的應用前景。此效應更是磁性隨機存取內存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學基礎。

        二、穿隧磁阻效應(TMR)的物理簡釋

        從經典物理學觀點看來,鐵磁層(F1)+絕緣層(I)+鐵磁層(F2)的三明治結構根本無法實現電子在磁層中的穿通,而量子力學卻可以完美解釋這一現象。當兩層鐵磁層的磁化方向互相平行,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,此時器件為低阻狀態;當兩層的磁鐵層的磁化方向反平行,情況則剛好相反,即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進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態,此時隧穿電流較小,器件為高阻狀態??梢钥闯?,隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向,當磁化方向發生變化時,隧穿電阻發生變化,因此稱為隧道磁電阻效應。

        圖1 TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

        TMR磁傳感器利用磁場變化引起磁電阻變化的原理,因此我們可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測算外磁場的變化。實際的TMR磁阻傳感器的制作遠比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結構復雜?;窘Y構除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結構外,還在上下增加頂電極層(upper contact)和底電極層(lower contact),兩層電極直接與相近的磁層接觸。底電極層位于絕緣基片(Insulating)上方,絕緣基片要比底電極層要寬,且位于襯底(Substrate)的上方。

        圖2 TMR磁阻傳感器的結構

        三、TMR磁阻傳感器的特性

        基于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于磁傳感器中。

        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傳感技術最早應用于硬盤驅動器讀出磁頭,大大提高了硬盤驅動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態范圍優點于一體,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于其他類型的傳感器,下表1給出了三種效應的傳感器技術比較。

        表1 三種MR傳感技術比較

        由TMR材料制成各種高靈敏度磁傳感器,用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。此類傳感器具有體積小、可靠性高、響應范圍寬等優勢,能滿足應對自動化技術、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方面越來越苛刻的要求?;赥MR技術制成的傳感器有以下特點:

        1、高靈敏度——被檢測信號的強度越來越弱,需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環境測量。

        (1)電流傳感器:需要檢測到nA級別的電流,即使加上聚磁環,也需要磁性傳感器本身的檢測精度達到nT的水平

        (2)角度傳感器:<0.01的分辨率

        (3)齒輪傳感器:齒輪的精細化以及傳感器到齒輪的間距的最大化,導致磁性信號變得非常微弱

        (4)太空環境測量:分辨率<0.015nT

        (5)基于磁性異常檢測的海洋布防等:<0.02pT的檢測分辨率

        2、溫度穩定性——更多的應用領域要求傳感器的工作環境越來越嚴酷,這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩定性,行業應用包括汽車電子行業。

        (1)汽車電子行業:從滴水成冰的外部環境到滾燙的發動機內部都必須工作

        (2)智能電網:可以迎接百年一遇的寒冷,也能堅守在發熱嚴重的封閉體內

        (3)航空航天領域:在有保護的情況下,工作溫度的跨度也是非常大的

        3、高頻特性——隨著應用領域的推廣,要求傳感器的工作頻率越來越高,應用領域包括水表、汽車電子行業、信息記錄行業。

        (1)水表:可以檢測到0.0001m3的即時流量(> 10 kHz)

        (2)汽車電子行業:部件的精密控制,要求信號的頻率越來越高(> 200 kHz)

        (3)信息記錄行業:要求數據傳輸率 > 1 GHz

        4、低功耗——很多領域要求傳感器本身的功耗極低,得以延長傳感器的使用壽命。應用在植入身體內磁性生物芯片,指南針等等。

        (1)植入身體內磁性生物芯片

        (2)使用電池供電的水表/氣表,以及微功耗智能電表

        (3)室外/野外磁性傳感器(磁性異常檢測儀、電子指南針、手持式磁場探測儀等)

        (4)航空航天用磁性傳感器

        5、抗干擾性——很多領域里傳感器的使用環境沒有任何評比,就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性。包括電子羅盤、金融磁頭等。

        (1)電子羅盤:大多數電路板產生的雜散磁場為地磁場的50倍以上;

        (2)金融磁頭:內部的各種電機產生的磁場的強度為磁性油墨磁場的50倍以上;

        (3)POS機磁頭:手機信號的磁場為磁頭磁場的5倍以上;

        (4)水表、氣表等;

        (5)汽車電子:發動機、運動部件以及各種電線產生磁場的可以在10 Gs以上

        6、小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求,這就需要芯片級的集成,模塊級集成,產品級集成

        (1)芯片級的集成:傳感器 + ASIC數字式輸出、標準化輸出

        (2)模塊級集成:芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實現

        (3)產品級集成:模塊 + 產品功能化、智能化

        四、TMR技術在電流檢測領域的優勢

        電流傳感器是能將被測體的電流的信息,按一定規律變換成為符合一定標準需要的電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

        目前電流傳感器檢測技術有很多,常見的有電阻分流器、電流互感器、霍爾電流傳感器、磁通門電流傳感器、Rogowski線圈,磁阻效應電流傳感器,磁致伸縮電流傳感器和光線電流傳感器等等。其中在現代工業和電子產品,以霍爾為代表的磁傳感器應用最為廣泛。

        磁傳感器以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數,磁傳感器包括霍爾(Hall)元件,各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)元件或巨磁電阻(Giant Magnetoresistance,GMR)以及穿隧磁阻效應(Tunnel Magnetoresistance,TMR)等元件為敏感元件的傳感器。

        普通器件測量通過器件的電流非常簡單,因為電流電平相對較高,為毫安甚至安培級。隨著移動智能設備的普及,物聯網的應用和生物技術的發展,當今器件工作電流低至微安級甚至更低,因此需要更復雜設備進行測量。以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器通常使用聚磁環結構來放大磁場,提高霍爾輸出靈敏度,從而增加了傳感器的體積和重量,同時霍爾元件具有功耗大,線性度差的缺陷。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多,但是其線性范圍窄,同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設置Set/Reset線圈對其進行預設/復位操作,造成其制造工藝的復雜,線圈結構的設置在增加尺寸的同時也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度,但是其線性范圍偏低。

        TMR(TunnelMagnetoresistance)元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器, TMR技術最初是用在硬盤中磁性讀寫頭上的,因此其對磁場檢測的精度、準確度以及壽命可靠性在硬盤中經過了幾十年的市場檢驗。在檢測電流時是通過檢測銅排和導線上電流所產生的磁場,再通過芯片一定的運算來得到電流大小。相比于之前所發現并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。TMR元件相對于霍爾元件具有更好的溫度穩定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更好的線性度,不需要額外的聚磁環結構;相對于AMR元件具有更好的溫度穩定性,更高的靈敏度,更寬的線性范圍,不需要額外的set/reset線圈結構;相對于GMR元件具有更好的溫度穩定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更寬的線性范圍。下圖是四代磁傳感技術原理圖。

                                                              圖 3 磁傳感技術發展歷程

        下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比,可以更清楚直觀的看到各種技術的優劣。

                               表格2各磁傳感器技術參數

        基于TMR芯片制造的電流傳感器在高靈敏度,溫度穩定性,抗干擾性,小型化、集成化、智能化和低功耗方面有著出色的表現。作為第四代磁感應技術。靈敏度,分辨率,功耗,溫度特性都有10倍以上的提升,并能全芯片級制程控制提供可靠的品質和合理的價格。

        五、TMR磁傳感器產品在各個領域中的實際應用

        TMR磁傳感器產品的應用非常廣泛,包括工業控制、金融器具、生物醫療、消費電子、汽車領域等,其典型特征是低功耗、小尺寸、高靈敏度。

        1、在流量計領域中,智能水表、智能熱量表一般都采用電池供電,因此對傳感器的功耗要求非??量?。當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,要么頻率響應非常低導致測量精度不夠,要么就是功耗很大導致電池壽命很短。而采用韋根傳感器的智能熱量表電路復雜,可靠性差,小流量的測量也不精確。另外,采用霍爾器件的傳統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,導致體積和成本增加。目前,采用兩個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,得到水表的瞬時流量,并且功耗非常低。在智能電表中,基于TMR磁傳感器的電表比傳統霍爾器件電表體積更小、成本更低、精度更高、溫度特性更好。

                                                                       圖3智能水表

                                                                             圖4智能氣表

        2、在電動汽車領域,電動汽車上需要檢測電流的地方很多,比如BMS,MCU,PDU,車載充電器,DC-DC等目前行業內對電流的檢測和監控,除了一些高端車型會采用精度更高、響應速度更快的HALL閉環電流傳感器,普遍用的都是HALL開環方案。HALL電流傳感器雖然HALL開環電流傳感器的精度、線性度、響應速度、溫漂特性等性能方面均不如HALL閉環方案,但是汽車電氣工程師普遍更在乎其能滿足一般工作要求情況的經濟性(4-10美金),當下國產的HALL開環方案市場價更是有朝3美金方向走的趨勢。

        HALL開環電流傳感器的確有一定的經濟性,但是其較肥大的體積,要占用很大空間也越來越受到工程師的詬病。尤其是在電動汽車行業,動力模塊的小型化是各家車廠都競相研究的方向。

        TMR(穿隧磁阻效應)電流傳感器,這種方案可實現級小體積的芯片來精確檢測銅排或者導線上電流,其精度、線性度、響應速度和溫漂特性可以媲美HALL閉環方案,而且該方案的成本甚至比HALL開環方案還有優勢。

                                                               圖5微安級TMR電流傳感器

        3、在金融器具領域,國內的金融設備主要采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磁性識別傳感器是專門用于紙幣、銀行票據、證券磁特性的檢測、識別的新型純阻抗驗鈔磁頭,主要應用于點驗鈔機、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。

                       圖6(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

        4、在電梯、礦洞、橋梁等鋼絲繩無損探傷方面,基于TMR磁傳感器的產品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。

                                                     圖 7 高精度低成本的TMR芯片級傳感器

        5、 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征識別出來,精度高、體積小、易于安裝維護、全天候工作。

                                                             圖 8 TMR傳感器用于停車管理

        6、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。

        基于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。由于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材料將是今后磁電阻材料領域工作的重點和關鍵。

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