安丰市场
石大科技第四代磁传感器——TMR隧道磁阻传感器在美国拉斯维加斯举办的全球最⼤电⼦产品展览会“2018年消费类电⼦产品展销会（CES 2018）”的 TDK和AKM的展台上发布了⼀款⾼精度3轴磁⼒计。
该磁⼒计将TDK公司开发的⾼度灵敏的隧道磁阻（TMR）元件与AKM公司设计的先进电⼦罗盘ASIC组合到⼀个⼩型LGA 11针封装内。该新型TMR磁⼒计附在⼀块芯⽚上，微型尺⼨仅为1.6毫⽶ x 1.6毫⽶x 0.6毫⽶，⽽其特点是具有业内最低的RMS噪⾳，仅为40 nT-rms，且在在输出数据速率为100Hz时, 电流消耗亦⾮常低，仅为40 µA。
由于具有10 nT/LSB（最低有效位）的⾼灵敏度，该磁传感器可以⾮常精确地检测磁场内细⼩变化，从
⽽能够在地球磁场或磁场发⽣器的帮助下⾼度准确地探测位置和⽅位。这些独⼀⽆⼆的特点使得TMR磁⼒计适⽤于紧凑型电⼦设备上，例如：智能⼿机、平板电脑、游戏机控制器和各种各样的可穿戴设备，以及需要位置和⽅位精度⾼的其他应⽤，例如：虚拟现实、增强现实或混合现实（VR、AR和MR）或室内导航。
磁传感器
磁传感器是种类繁多的传感器中的⼀种，它能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进⾏检测，从⽽直接或间接地探测磁场⼤⼩、⽅向、位移、⾓度、电流等物理信息，⼴泛应⽤于信息、电机、电⼒电⼦、能源管理、汽车、磁信息读写、⼯业⾃动控制及⽣物医学等领域。 随着科技进步和信息技术的发展，⼈们对磁传感器的尺⼨、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越⾼的要求。
⼴泛应⽤的磁传感器主要是基于电磁感应原理、霍尔效应及磁电阻效应等。其中基于磁电阻效应的传感器由于其⾼灵敏度、⼩体积、低功耗及易 集成等特点正在取代传统的磁传感器。
球星马嘴⽬前市场上主要的磁传感器芯⽚是基于霍尔效应、各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)效应⽽开
发的，⽽由于TMR 磁传感器芯⽚拥有的⼩型化、低成本、低功耗、⾼度集成、⾼响应频率和⾼灵敏度特性，使其将会成为未来竞争的制⾼点。
三边测量法TMR隧道磁阻传感器
主流的磁传感器仍然是半导体霍尔器件，但其本⾝存在的灵敏度低、容易受应⼒和温度影响、响应频率低以及功耗⼤的缺点，使其主导地位正不断受到磁电阻传感器的冲击。
国外薄膜磁电阻传感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技术已经成熟并已开始⼤规模量产。TMR传感器⽬前主要应⽤在硬盘磁头和磁性内存领域，代表⼚商：Seagate／WD／TDK；AMR器件代表⼚商有：HoneyWell／NEC／⽇本旭化成／西门⼦；美国NVE公司⼩规模量产GMR传感器和少量的Spin—Valve传感器。 TMR磁传感器芯⽚的研发和⽣产依赖于纳⽶薄膜及纳⽶级电⼦元器件的⽣产设备、⽣产⼯艺与技术以及芯⽚的设计等多个环节。TMR技术主要掌握在国外的硬盘制造企业⼿中，⽽磁传感器制造企业普遍缺乏n很芯⽚制各技术、⼈才和⽣产经验。
在全世界范围内，国际上也只有美国的两家公司能够⼩批量⽣产TIvIR磁传感器芯⽚，包括美国的NVE和Micro Magnetics，⽽国内受设备和⼈才的限制，直到2010年，才逐渐填补这⼀领域的空⽩。
TMR传感器的原理和特性
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，表1给出了三种效应的传感器技术⽐较。
TMR效应的产⽣机理和特点
六偏磷酸钠在铁磁材料中, 由于量⼦⼒学交换作⽤, 铁磁⾦属的 3d轨道局域电⼦能带发⽣劈裂, 使费⽶ ( Ferm i)⾯附近⾃旋向上和向下的电⼦具有不同的能态密度。
在磁性隧道结 MTJs中, TMR 效应的产⽣机理是⾃旋相关的隧穿效应。 MTJs的⼀般结构为铁磁层 /⾮磁绝缘层 /铁磁层 ( FM / I/FM )的三明治结构.。饱和磁化时，两铁磁层的磁化⽅向互相平⾏, ⽽通常两铁磁层的矫顽⼒不同, 因此反向磁化时，矫顽⼒⼩的铁磁层磁化⽮量⾸先翻转, 使得两铁磁层的磁化⽅向变成反平⾏。电⼦从⼀个磁性层隧穿到另⼀个磁性层的隧穿⼏率与两磁性层的磁化⽅向有关。
TMR效应的产⽣机理⽰意图
若两层磁化⽅向互相平⾏, 则在⼀个磁性层中, 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; 若两磁性层的磁化⽅向反平⾏, 情况则刚好相反, 即在⼀个磁性层中, 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将进⼊另⼀磁性层中多数⾃旋⼦带的空态, 这种状态的隧穿电流⽐较⼩。因此, 隧穿电导随着两铁磁层磁化⽅向的改变⽽变化, 磁化⽮量平⾏时的电导⾼于反平⾏时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化⽅向, 从⽽使得隧穿电阻发⽣变化, 导致TMR效应的出现。
MTJs中两铁磁层电极的⾃旋极化率定义为
MTJs中两铁磁层电极的⾃旋极化率定义为
式中和 N 分别为铁磁⾦属费⽶⾯处⾃旋向上和⾃旋向下电⼦的态密度。
由 Julliere模型可以得到
或者
式中、分别为两铁磁层磁化⽅向平⾏和反平⾏时的隧穿电阻，、
分别为两铁磁层电极的⾃旋极化率。显然, 如果和均不为零, 则 MTJs中存在 TMR 效应，且两铁磁层电极的⾃旋极化率越⼤，TMR 值也越⾼。
在研究中，不同的学者对 TMR值的定义不同, 有的学者采⽤ ( 2) 式的定义, 但最近⼏年, ⼤部分学者都采⽤ ( 3)式的定义。
TMR磁传感器产品应⽤
TMR磁传感器产品应⽤TMR磁传感器的应⽤⾮常⼴泛，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。薛松⽣博⼠给我们举了⼏个案例。
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（超低功耗全极磁开关
MMS2X1H，双极磁开关MMS1X1H，全时供电下只有1.5uA电流，频响⼤于1KHZ）。在智能电表中，
基于TMR磁传感器（如TMR501、TMR503）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。
智能⽔表
中国农村研究网
智能⽓表
在⾦融器具领域，国内的⾦融设备主要采⽤电感线圈和锑化铟磁头，⽆论是检测精度和信噪⽐，还是磁头的尺⼨，均⽆法与其他发达国家尤其是⽇本的⾦融磁头相⽐，更加严重的是产品⼀致性存在问题，量产⼯艺不稳定，⽆法⼤批量⽣产。时⾄今⽇，全球（包括中国）⾼端⾦融磁头市场都被⽇本公司垄断。TMR磁性识别传感器（如MMGB015、MMGB065、MMGB18S）是专门⽤于纸币、银⾏票据、证券磁特性的检测、识别的新型纯阻抗验钞磁头，主要应⽤于点验钞机、清分设备、ATM、各类⾃动售货机读钞、验钞模组和磁卡读头，具有⾼灵敏度、⾼信噪⽐、⾼频响等特点。
(左)单通道TMR⾦融磁头 (右上)6通道TMR⾦融磁头 (右下)18通道TMR⾦融磁头
在电梯、矿洞、桥梁等钢丝绳⽆损探伤⽅⾯，基于TMR磁传感器的产品（如TMR2703、TMR2705、
TMR2901、TMR2903）能够利⽤弱磁检测精确定位绳索的表⾯缺陷和内部缺陷，与⽬前⼏万、⼏⼗万的检测系统相⽐精度更⾼、价格更加亲民、检测更加⽅便。
在智能停车管理系统领域，与传统的地感线圈、超声波、RFID、红外线等判断停车位上有⽆车辆相⽐，TMR线性磁传感器能够根据车辆对地磁的扰动特征识别出来，精度⾼、体积⼩、易于安装维护、全天候⼯作。
在医疗领域，例如⾎槽中磁珠外表的⽣物膜跟⾎液中不同的病毒结合的实验，通过⾎液中的磁珠体积变化从⽽判断病⼈的病情，⽽TMR磁传感器能够精准的监测出磁珠体积是否变⼤。
基于TMR磁传感器的产品在智慧家庭和智能汽车领域将会拓展更多的应⽤。
由于 TMR材料同时具备⼯作磁场低、灵敏度⾼、热稳定性好等特性，因此，与 GMR 效应相⽐，TMR效应具有更为⼴阔的应⽤前景。研究与开发室温 TMR 值⾼、热稳定性好、 RA 值低、成本低的 TMR材料将是今后磁电阻材料领域⼯作的重点和关键。
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