TMR传感器的实现原理和特性介绍

概述

[1 发展历史](#1 发展历史)

[2 实现原理](#2 实现原理)

[3 技术优势](#3 技术优势)

[3.1 参数对比](#3.1 参数对比)

[3.2 输出MR对比](#3.2 输出MR对比)

[4 TMR技术的特性和应用](#4 TMR技术的特性和应用)

[4.1 阻值变化演示](#4.1 阻值变化演示)

[4.2 应用前景](#4.2 应用前景)

概述

本文主要介绍TMR传感器是原理和特性，TMR传感器是一种基于磁阻效应的传感器，TMR是Tunneling Magnetoresistance的缩写。该传感器利用了TMR效应，即通过一个薄膜隧道结构来测量磁场的变化。TMR传感器的工作原理是利用磁场对电流的影响。该传感器由两个金属层之间夹着一个非磁性金属层组成。当没有磁场时，电流会均匀地通过两个金属层。但是当有磁场作用时，非磁性金属层中的自旋轨道耦合出现，使得电流偏向于通过与磁场同向的金属层，从而改变了传感器的电阻。

TMR传感器具有以下几个特点：

高灵敏度：TMR效应使传感器对磁场的变化非常敏感，可以测量微弱的磁场变化。

宽量程：传感器的量程可以通过改变金属层的结构和厚度来调整，可以适应不同的应用需求。

快速响应：TMR传感器的响应时间非常短，可以实时对磁场的变化做出反应。

低功耗：传感器的工作电流较小，功耗较低。

高稳定性：传感器具有良好的温度稳定性和长期稳定性。

1 发展历史

TMR传感器是一种新型的磁性传感器，其在1980年代以后，经历了如下阶段：

**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

各种元件的结构如图1所示：

相同点：

TMR元件的磁性结构与GMR元件基本相同，

不同点：

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。

2 实现原理

依靠先进的薄膜过程技术制造的TMR元件是一种薄膜元件，由3层结构构成：

1）自由层：磁化方向根据外部磁场方向而变，元件的电阻也随之而变

2）固定层：磁化方向被固定

3）势垒层：位于自由层/固定层夹住1～2nm的薄绝缘体的势垒层的结构

电流变化特征：

1）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

2）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

3 技术优势

3.1 参数对比

元件电阻的变化比例用MR比这一数值表示。

元件电阻的输出比例

1）AMR元件、GMR元件的MR比分别为3%、12%左右，

2）TMR元件甚至达到100%。

GMR的实现方式：

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。

TMR的实现方式：

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。

TMR上的电子特性：

MR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。

GMR上的电子特性：

GMR元件具有电子"难以移动"的特性

3.2 输出MR对比

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。

下图表示用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）。

4 TMR技术的特性和应用

4.1 阻值变化演示

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）。

4.2 应用前景

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。对TMR类型的元器件的功能总结如下：

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°。
TMR类型产品特性

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。

3）温漂特性

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。

TMR传感器与以前的AMR传感器的对比曲线如下图( 图五)：角度误差的温度依存度。

总结如下：

AMR传感器在低温侧、高温侧的角度误差极大

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）。