磁性的魅力——“后起之秀”TMR磁阻传感器
2016-09-07 20:41:01   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

TMR磁传感器利用磁场变化引起磁电阻变化的原理,因此我们可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测算外磁场的变化。实际的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构复杂。

TMR坎坷的发展历史

早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MagneticTunnelJunctions,MTJs)中观察到了TMR(Tunnel Magneto-Resistance)效应。但是,这一发现当时并没有引起人们的重视。在此后的十几年里,有关TMR效应的研究进展十分缓慢。

与TMR效应的命运不同,1988年,GMR效应被发现后,基础研究和应用研究几乎齐头并进,迅速发展起来。在GMR效应的深入研究下,同为磁电子学的TMR效应才开始得到重视。2000年,MgO作为隧道绝缘层的发现为TMR磁阻传感器的发展带来了“春天的温暖”。2001年,Butler和Mathon各自做出理论预测:以铁为铁磁体和MgO作为绝缘体,隧道磁电阻率变化可以达到百分之几千。同年,Bowen等首次用实验证明了磁性隧道结(Fe/MgO/FeCo)的TMR效应。2008年,日本东北大学的S. Ikeda, H. Ohno团队实验发现磁性隧道结CoFeB/MgO/CoFeB的电阻率变化在室温下达到604%,在4.2K温度下将超过1100%。TMR效应具有如此大的电阻率变化,因此业界越来越重视TMR效应的研究和商业产品开发。

看清TMR磁阻传感器的真面目

从经典物理学观点看来,铁磁层(F1)+绝缘层(I)+铁磁层(F2)的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通,而量子力学却可以完美解释这一现象。当两层铁磁层的磁化方向互相平行,多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,总的隧穿电流较大,此时器件为低阻状态;当两层的磁铁层的磁化方向反平行,情况则刚好相反,即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态,此时隧穿电流较小,器件为高阻状态。可以看出,隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向,当磁化方向发生变化时,隧穿电阻发生变化,因此称为隧道磁电阻效应。

TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

TMR磁传感器利用磁场变化引起磁电阻变化的原理,因此我们可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测算外磁场的变化。实际的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构复杂。基本结构除了铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构外,还在上下增加顶电极层(upper contact)和底电极层(lower contact),两层电极直接与相近的磁层接触。底电极层位于绝缘基片(Insulating)上方,绝缘基片要比底电极层要宽,且位于衬底(Substrate)的上方。

TMR磁阻传感器的结构

TMR磁阻传感器的结构

一张表让你看出TMR的实力

相比于其它磁传感器,TMR磁传感器具备优异的温度稳定性、极高的灵敏度、极低的本底噪声、超低功耗、高分辨率、较大的动态范围、更小的尺寸等特点,代表了固态传感器技术的发展新趋势。TMR磁阻传感器具有优异的性能,可以说其它磁传感器是无法比拟的。

四种典型磁传感器的参数对比

四种典型磁传感器的参数对比

“后起之秀”TMR磁阻传感器将成为磁传感器的主流

TMR磁阻传感器出类拔萃的性能,注定了这个“后起之秀”将成为将来磁传感器的主流。

磁传感器发展历程

- 汽车电子和消费电子市场:潜力巨大的汽车电子和消费电子市场当前仍然由霍尔传感器主导。但是TMR磁阻传感器性能优势明显,尤其在要求苛刻的汽车电子领域,我们有理由TMR磁阻传感器将更会受到青睐!

- 民用表:当前智能家居正如火如荼地开展,水电气三表接入智能家居网,可实现远程数据监控和控制。水表上,目前的低功耗霍尔传感器或干簧管(也有韦根传感器等),通过齿轮变比,来测量水表一段时间内的流量。由于TMR磁传感器的固有特点,非常适合智能水表应用。电表上,目前大多数是霍尔元件做成的电流传感器,检测电线中流过的电流所产生的磁场,由于霍尔元件本身的温度特性不好,使得相应的电流传感器温度性能比较差。TMR磁传感器温度稳定性好,对温度不敏感,线性度好,灵敏度高,不需要聚磁,因此采用TMR磁传感器的电流传感器具有体积小,温度特性好,精度高,整体成本低的特点,在智能电表计量领域具有非常重要的优势。在气表和热力表上也有同样的TMR磁传感器的应用。

- 工业控制领域:TMR磁传感器可用于电流传感器和接近开关。霍尔电流传感器灵敏度低,需要通过铁磁材料的磁聚效应来提高精度。TMR磁传感器不需要铁磁材料,能减少电流传感器体积,降低成本。接近开关上,由于霍尔传感器信号范围小,灵敏度低,对于长距离不敏感,而TMR磁传感器的特性,刚好解决了霍尔传感器的缺点。用TMR磁传感器做成的接近开关可以应用在长距离检测和特殊环境的测速。

- 生物医疗:基于TMR效应的自旋阀生物磁传感器与传统电化学分析、压电晶体检测方法相比具有精度高、体积小的优势,主要用于病变部位的非接触式探测、室温心磁图检测、生物分子识别分析等。

- 金融机具:基于TMR的磁性识别传感器可谓是识别真假钞票的“火眼金睛”。通过磁头扫描钞票得到图谱,可以准确地把假钞“逮”出来。

典型TMR磁阻传感器公司介绍

多维科技

江苏多维科技有限公司(以下简称“多维科技”)由多位欧美留学归国博士于2010年5月创办,总部位于江苏省张家港市保税区,并在美国加州和中国上海等地设有分公司。多维科技专业提供基于先进的第四代磁传感技术——隧道磁电阻(TMR)的磁性感应芯片及其相关的应用解决方案,该芯片可用于医疗、物联网、新能源、消费电子、工业控制、汽车电子、航空航天等领域。多维科技拥有最先进的磁传感芯片的制造设备,拥有多项自主知识产权和核心技术,并不断地完善和扩展所涉及的核心技术和知识产权。

多维科技提供多种磁传感器产品和服务,包括:
- 以晶圆、裸片或封装器件的形式提供TMR磁传感器。
- 为TMR/GMR/AMR磁传感器提供定制设计服务。
- 专用集成电路(ASIC)设计服务。
- 为TMR/GMR/AMR磁传感器提供晶圆代工服务。
- 定制传感器模块设计与应用解决方案。
- 知识产权授权服务。

希磁科技

宁波希磁电子科技有限公司(以下简称“希磁科技”)是一家拥有自主知识产权的高科技企业,运用TMR(隧道磁阻)传感器技术,为客户提供高性价比的产品及解决方案,致力于成为世界级的TMR传感器设计、生产企业。公司产品及服务涉及磁性传感器芯片及电流传感器模块的设计和生产,提供电量检测解决方案的定制开发服务,为新能源、智能电网、电动汽车、工业控制、机器人、智能家居、智能楼宇等领域提供最先进的技术支持和解决方案。

希磁科技通过ISO9001质量体系认证,且全系列产品拥有完全自主知识产权。希磁科技努力为客户提供高性能高品质的产品,所有产品通过出厂前高低温测试,每件产品拥有唯一编码,测试数据及相关信息全程可追溯。希磁科技厚积薄发,凭借创新的技术、卓越的产品、优质的服务,已成为国内外多家知名厂商的合作伙伴。

至此,由麦姆斯咨询撰写的四大磁阻传感器的科普文章(《磁性的魅力——磁传感器中的“霸主”霍尔传感器》《磁性的魅力——带你认识AMR磁阻传感器》《磁性的魅力——非“巨人”的GMR磁阻传感器》,《磁性的魅力——“后起之秀”TMR磁阻传感器》)已全部出炉。如果你想更深入地认识磁传感器的魅力,请参加9月12日在上海跨国采购会展中心举办的第十九届“微言大义”研讨会——磁传感技术及应用(www.MEMSeminar.com),一定可让你为之“欣喜”!

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