隧道磁阻技术（TMR）及其应⽤简介
⼀、概述
1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场⽽增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。物质在磁场中电阻率发⽣变化的现象称为磁阻效应。同霍尔效应⼀样，磁阻效应也是由于载流⼦在磁场中受到洛伦兹⼒⽽产⽣的。从⼀般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。 2、磁阻应⽤：磁阻效应⼴泛⽤于磁传感、磁⼒计、电⼦罗盘、位置和⾓度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。磁阻器件由于灵敏度⾼、抗⼲扰能⼒强等优点在⼯业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到⼴泛应⽤，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、检别、位置测量等。 3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳⽶)-铁磁材料中，其穿隧电阻⼤⼩随两边铁磁材料相对⽅向变化的效应。TMR效应由于具有磁电阻效应⼤、磁场灵敏度⾼等独特优势，从⽽展⽰出⼗分诱⼈的应⽤前景。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。
⼆、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释
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。 图1 TMR磁化⽅向平⾏和反平⾏时的双电流模型
桥型铰链
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。
图2 TMR磁阻传感器的结构
DD LM0558三、TMR磁阻传感器的特性
基于磁电阻效应磁信号可以转变为电信号，除了庞磁电阻(CMR)效应受到温度区间和⼯作磁场的限制⽽很难应⽤以外，其他AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以应⽤于磁传感器中。
⽬前，AMR传感器已经⼤规模应⽤；GMR传感器正⽅兴未艾，快速发展。TMR传感技术最早应⽤于硬盘驱动器读出磁头，⼤⼤提⾼了硬盘驱动器的记录密度。它集AMR的⾼灵敏度和GMR的宽动态范围优点于⼀体，因⽽在各类磁传感器技术中，TMR磁传感器具有⽆可⽐拟的技术优势，其各项性能指标均远优于其他类型的传感器，下表1给出了三种效应的传感器技术⽐较。
表1 三种MR传感技术⽐较
由TMR材料制成各种⾼灵敏度磁传感器，⽤于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进⾏传感。此类传感器具有体积⼩、可靠性⾼、响应范围宽等优势，能满⾜应对⾃动化技术、家⽤电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术等⽅⾯越来越苛刻的要求。基于TMR技术制成的传感器有以下特点：
1、⾼灵敏度——被检测信号的强度越来越弱，需要磁性传感器灵敏度得到极⼤提⾼。应⽤⽅⾯包括电流传感器、⾓度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。
（1）电流传感器：需要检测到nA级别的电流，即使加上聚磁环，也需要磁性传感器本⾝的检测精度达到nT的⽔平
（2）⾓度传感器：<0.01的分辨率
（3）齿轮传感器：齿轮的精细化以及传感器到齿轮的间距的最⼤化，导致磁性信号变得⾮常微弱
（4）太空环境测量：分辨率<0.015nT
（5）基于磁性异常检测的海洋布防等：<0.02pT的检测分辨率
2、温度稳定性——更多的应⽤领域要求传感器的⼯作环境越来越严酷，这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性，⾏业应⽤包括汽车电⼦⾏业。
（1）汽车电⼦⾏业：从滴⽔成冰的外部环境到滚烫的发动机内部都必须⼯作
（2）智能电⽹：可以迎接百年⼀遇的寒冷，也能坚守在发热严重的封闭体内
（3）航空航天领域：在有保护的情况下，⼯作温度的跨度也是⾮常⼤的
3、⾼频特性——随着应⽤领域的推⼴，要求传感器的⼯作频率越来越⾼，应⽤领域包括⽔表、汽车电⼦⾏业、信息记录⾏业。
（1）⽔表：可以检测到0.0001m³的即时流量（> 10 kHz）
（2）汽车电⼦⾏业：部件的精密控制，要求信号的频率越来越⾼（> 200 kHz）防爆波
（3）信息记录⾏业：要求数据传输率 > 1 GHz
4、低功耗——很多领域要求传感器本⾝的功耗极低，得以延长传感器的使⽤寿命。应⽤在植⼊⾝体内磁性⽣物芯⽚，指南针等等。
（1）植⼊⾝体内磁性⽣物芯⽚
（2）使⽤电池供电的⽔表/⽓表，以及微功耗智能电表
（3）室外/野外磁性传感器（磁性异常检测仪、电⼦指南针、⼿持式磁场探测仪等）
（4）航空航天⽤磁性传感器
5、抗⼲扰性——很多领域⾥传感器的使⽤环境没有任何评⽐，就要求传感器本⾝具有很好的抗⼲扰性。包括电⼦罗盘、⾦融磁头等。
（1）电⼦罗盘：⼤多数电路板产⽣的杂散磁场为地磁场的50倍以上；
（2）⾦融磁头：内部的各种电机产⽣的磁场的强度为磁性油墨磁场的50倍以上；
（3）POS机磁头：⼿机信号的磁场为磁头磁场的5倍以上；
（4）⽔表、⽓表等；
（5）汽车电⼦：发动机、运动部件以及各种电线产⽣磁场的可以在10 Gs以上
6、⼩型化、集成化、智能化——要想做到以上需求，这就需要芯⽚级的集成，模块级集成，产品级集成
（1）芯⽚级的集成：传感器 + ASIC数字式输出、标准化输出
乙酸乙酯实验装置（2）模块级集成：芯⽚ + 外部磁铁 + 模具 + 电路基本功能的实现
（3）产品级集成：模块 + 产品功能化、智能化
四、TMR技术在电流检测领域的优势
电流传感器是能将被测体的电流的信息，按⼀定规律变换成为符合⼀定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满⾜信息的传输、处理、存储、显⽰、记录和控制等要求。
⽬前电流传感器检测技术有很多，常见的有电阻分流器、电流互感器、霍尔电流传感器、磁通门电流传感器、Rogowski线圈，磁阻效应电流传感器，磁致伸缩电流传感器和光线电流传感器等等。其中在现代⼯业和电⼦产品，以霍尔为代表的磁传感器应⽤最为⼴泛。
磁传感器以感应磁场强度来测量电流、位置、⽅向等物理参数，磁传感器包括霍尔（Hall）元件，各向异性磁电阻（Anisotropic Magnetoresistance,AMR）元件或巨磁电阻（Giant Magnetoresistance,G
MR）以及穿隧磁阻效应（Tunnel Magnetoresistance,TMR）等元件为敏感元件的传感器。
压缩胶囊普通器件测量通过器件的电流⾮常简单，因为电流电平相对较⾼，为毫安甚⾄安培级。随着移动智能设备的普及，物联⽹的应⽤和⽣物技术的发展，当今器件⼯作电流低⾄微安级甚⾄更低，因此需要更复杂设备进⾏测量。以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使⽤聚磁环结构来放⼤磁场，提⾼霍尔输出灵敏度，从⽽增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗⼤，线性度差的缺陷。AMR元件虽然其灵敏度⽐霍尔元件⾼很多，但是其线性范围窄，同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进⾏预设/复位操作，造成其制造⼯艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺⼨的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔电流传感器有更⾼的灵敏度，但是其线性范围偏低。
TMR（TunnelMagnetoresistance）元件是近年来开始⼯业应⽤的新型磁电阻效应传感器， TMR技术最初是⽤在硬盘中磁性读写头上的，因此其对磁场检测的精度、准确度以及寿命可靠性在硬盘中经过了⼏⼗年的市场检验。在检测电流时是通过检测铜排和导线上电流所产⽣的磁场，再通过芯⽚⼀定的运算来得到电流⼤⼩。相⽐于之前所发现并实际应⽤的AMR元件和GMR元件具有更⼤的电阻变化率。TMR元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性，更⾼的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR元件具有更好的温度稳定性，更⾼的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR元件具有更好的温度稳定性，更⾼的灵敏度，更低
的功耗，更宽的线性范围。下图是四代磁传感技术原理图。
图 3 磁传感技术发展历程
下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对⽐，可以更清楚直观的看到各种技术的优劣。
电磁大锅灶表格2各磁传感器技术参数
基于TMR芯⽚制造的电流传感器在⾼灵敏度，温度稳定性，抗⼲扰性，⼩型化、集成化、智能化和低功耗⽅⾯有着出⾊的表现。作为第四代磁感应技术。灵敏度，分辨率，功耗，温度特性都有10倍以上的提升，并能全芯⽚级制程控制提供可靠的品质和合理的价格。
五、TMR磁传感器产品在各个领域中的实际应⽤
TMR磁传感器产品的应⽤⾮常⼴泛，包括⼯业控制、⾦融器具、⽣物医疗、消费电⼦、汽车领域等，其典型特征是低功耗、⼩尺⼨、⾼灵敏度。
1、在流量计领域中，智能⽔表、智能热量表⼀般都采⽤电池供电，因此对传感器的功耗要求⾮常苛刻。当前⽔表⽅案采⽤⼲簧管、低功耗霍尔器件以及韦根传感器等，要么频率响应⾮常低导致测量精度不够，要么就是功耗很⼤导致电池寿命很短。⽽采⽤韦根传感器的智能热量表电路复杂，可靠性差，⼩流量的测量也不精确。另外，采⽤霍尔器件的传统电表⽅案温度性能⽐较差，由于灵敏度低需要额外增加聚磁环，导致体积和成本增加。⽬前，采⽤两个TMR超低功耗磁传感器的⽅案，根据叶轮转动的磁场变化测量转速，得到⽔表的瞬时流量，并且功耗⾮常低。在智能电表中，基于TMR 磁传感器的电表⽐传统霍尔器件电表体积更⼩、成本更低、精度更⾼、温度特性更好。
图3智能⽔表
图4智能⽓表
2、在电动汽车领域，电动汽车上需要检测电流的地⽅很多，⽐如BMS,MCU,PDU，车载充电器，DC-DC等⽬前⾏业内对电流的检测和监控，除了⼀些⾼端车型会采⽤精度更⾼、响应速度更快的HALL闭环电流传感器，普遍⽤的都是HALL 开环⽅案。HALL电流传感器虽然HALL开环电流传感器的精度、
线性度、响应速度、温漂特性等性能⽅⾯均不如HALL 闭环⽅案，但是汽车电⽓⼯程师普遍更在乎其能满⾜⼀般⼯作要求情况的经济性（4-10美⾦），当下国产的HALL开环⽅案市场价更是有朝3美⾦⽅向⾛的趋势。
HALL开环电流传感器的确有⼀定的经济性，但是其较肥⼤的体积，要占⽤很⼤空间也越来越受到⼯程师的诟病。尤其是在电动汽车⾏业，动⼒模块的⼩型化是各家车⼚都竞相研究的⽅向。
TMR（穿隧磁阻效应）电流传感器，这种⽅案可实现级⼩体积的芯⽚来精确检测铜排或者导线上电流，其精度、线性度、响应速度和温漂特性可以媲美HALL闭环⽅案，⽽且该⽅案的成本甚⾄⽐HALL开环⽅案还有优势。
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