TMR传感器原理及优势

TMR传感器

TDK的TMR传感器是一种新型的磁性传感器，应用了HHD磁头的高灵敏度播放元件——TMR元件。
HDD磁头的播放元件应用了电阻因外部磁场而变的磁阻效应(Magnetoresistance effect)的原理，在1980年代以后，经历了AMR(各向异性磁阻效应：Anisotropic magnetoresistance effect)元件、GMR(巨磁阻效应：Giant magnetoresistance effect)元件、TMR(穿隧磁阻效应：Tunnel magnetoresistance effect)元件，技术逐渐进步，推进了HDD的记录密度飞跃性的提高。各种元件的结构如图1所示。

图1 AMR元件、GMR元件、TMR元件的结构（模式图）

TMR元件的磁性结构与GMR元件基本相同，但GMR元件的电流平行于膜面流过，而TMR元件的电流垂直于膜面流过。
依靠先进的薄膜过程技术制造的TMR元件是一种薄膜元件，具有2层强磁性体层（自由层/固定层）夹住1～2nm的薄绝缘体的势垒层的结构。固定层的磁化方向被固定，但自由层的磁化方向根据外部磁场方向而变，元件的电阻也随之而变。当固定层与自由层的磁化方向平行时，电阻最小，势垒层流过大电流。另外，当磁化方向为反向平行时，电阻极端地变大，势垒层几乎没有电流流过（图2）。

图2 TMR的原理图左：当自由层与固定层的磁化方向平行时，电阻变小，流过大电流。
图右：当自由层与固定层的磁化方向为反向平行时，电阻变大，只流过微弱的电流。

TMR传感器的输出是AMR传感器的20倍，GMR传感器的6倍

元件电阻的变化比例用MR比这一数值表示。以前的AMR元件、GMR元件的MR比分别为3%、12%左右，而TMR元件甚至达到100%。在用2层强磁性体夹持非磁性体的金属层(Cu等)的GMR元件上，电子的移动表现出金属的导电现象。而在TMR元件上，电子的移动是量子力学的隧道效应。为此，在固定层与自由层处于反向平行的状态，GMR元件具有电子"难以移动"的特性，而TMR元件具有可以说电子"根本不能移动"的极端特性。这是TMR元件的MR比极大的原因，输出表现出"YES或NO"、"1或0"的鲜明特性。
这也是现在的HDD将TMR元件当作高密度播放元件利用的原因。因此，要是将发挥了高灵敏度特性的TMR元件当作磁性传感器利用，可获得极大的输出。实际上，TDK的TMR传感器的输出是AMR传感器的20倍，GMR传感器的6倍，达到3,000mV。图3表示用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比（施加电压5V时）。

 

	AMR	GMR	TMR
MR比 [％]	3	12	100
输出 [mV]	150	560	3300
温度依存度 [%/℃]	-0.29	-0.23	-0.13

 

（施加电压5V时）

图3 用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比

温度漂移、老化也小，最适合车载电气设备、产业设备

如果在TMR传感器上使磁铁旋转，自由层的磁化方向追随磁铁的磁场方向，元件的电阻连续变化。由于电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比，可当作角度传感器利用（图4）。

图4 利用TMR元件支撑角度传感器的原理

固定层的磁化方向被固定，自由层的磁化方向向外部磁场方向看齐。
由于元件的电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比，作角度传感器，能够检测360°。
TDK的TMR传感器的输出甚至是霍尔元件的500倍，而且耗电量低（5mW/推荐条件下），因此作为面向车载用途的传感器，具备最佳的特性。例如，可作为汽车的转向角传感器、EPS（电动动力转向器）电机用角度传感器，替代以前的霍尔元件的角度传感器等。
温度漂移（周围温度变化引起输出变化）小是传感器的基本条件。图5的曲线对比了TDK的TMR传感器与以前的AMR传感器的角度误差的温度依存度。以前的AMR传感器在低温侧、高温侧的角度误差极大，而TDK的TMR传感器在大的温度范围保持稳定的角度精度（在磁场范围20～80mT、温度范围-40～150℃的条件下，角度误差±0.6°以下）。另外，老化小也是TDK的TMR传感器的重大特点，除了在车载电气设备上使用外，还可望在各种产业设备上得到活用。

图5 角度误差的温度依存度（TDK的TMR传感器与以前的AMR传感器对比）

也作为旋转传感器、电流传感器为节能行车做贡献

传感检测技术也为汽车的燃油经济性提高做出了巨大贡献。在汽车发动机上，为发动机ECU（电子控制单元）计算燃油喷射的最佳时机与喷射量而获取信息的传感器有曲轴角度传感器、凸轮角度传感器。
曲轴角度传感器、凸轮角度传感器有各种方式，不过由于不易受磨损、灰尘等的影响，非接触式的电磁传感器成了主流。在曲轴、凸轮轴上安装使用了磁性体的齿轮状齿轮脉冲星（脉冲星转子），然后用偏磁施加磁场，以非接触的方式相对配置磁性传感器。如果发动机启动，齿轮脉冲星旋转，齿轮的齿的凹凸使磁铁产生的磁通密度交替变化，因此磁性传感器将其作为脉冲信号取出，根据单位时间的脉冲个数检测转速。为此，也被称作齿轮齿传感器等。
TDK的TMR传感器与使用了霍尔元件的传感器等相比，具有灵敏度和输出极高的特点，除了曲轴角度传感器、凸轮角度传感器外，作为ABS装置的车轮速度传感器也将实现优越的传感检测。作为管理蓄电池的充放电，作为实现节能化的电流传感器，也值得期待。
近年来，在车载电气设备、产业设备、民生设备上，磁性传感器的需求扩大了。有人认为即使元件的特性差一点，也能通过使用方法（软件）弥补传感器的性能。然而，传感器是一种转换器，毕竟要求好的转换效率。另外，为了实现更安全、更舒适的行车，也预测要求车载传感器具有的检测精度是以前的大约2倍。TDK的TMR传感器是高输出、高精度、温度漂移和老化小、稳定性高的划时代的磁性传感器，应对今后严格的要求精度绰绰有余。TDK为了应对多样化的应用，正在努力进一步扩充产品阵容。

        审核编辑：彭菁