TMR傳感器原理及優勢

TMR傳感器

TDK的TMR傳感器是一種新型的磁性傳感器，應用了HHD磁頭的高靈敏度播放元件——TMR元件。
HDD磁頭的播放元件應用了電阻因外部磁場而變的磁阻效應(Magnetoresistance effect)的原理，在1980年代以后，經歷了AMR(各向異性磁阻效應：Anisotropic magnetoresistance effect)元件、GMR(巨磁阻效應：Giant magnetoresistance effect)元件、TMR(穿隧磁阻效應：Tunnel magnetoresistance effect)元件，技術逐漸進步，推進了HDD的記錄密度飛躍性的提高。各種元件的結構如圖1所示。

圖1 AMR元件、GMR元件、TMR元件的結構（模式圖）

TMR元件的磁性結構與GMR元件基本相同，但GMR元件的電流平行于膜面流過，而TMR元件的電流垂直于膜面流過。
依靠先進的薄膜過程技術制造的TMR元件是一種薄膜元件，具有2層強磁性體層（自由層/固定層）夾住1～2nm的薄絕緣體的勢壘層的結構。固定層的磁化方向被固定，但自由層的磁化方向根據外部磁場方向而變，元件的電阻也隨之而變。當固定層與自由層的磁化方向平行時，電阻最小，勢壘層流過大電流。另外，當磁化方向為反向平行時，電阻極端地變大，勢壘層幾乎沒有電流流過（圖2）。

圖2 TMR的原理圖左：當自由層與固定層的磁化方向平行時，電阻變小，流過大電流。
圖右：當自由層與固定層的磁化方向為反向平行時，電阻變大，只流過微弱的電流。

TMR傳感器的輸出是AMR傳感器的20倍，GMR傳感器的6倍

元件電阻的變化比例用MR比這一數值表示。以前的AMR元件、GMR元件的MR比分別為3%、12%左右，而TMR元件甚至達到100%。在用2層強磁性體夾持非磁性體的金屬層(Cu等)的GMR元件上，電子的移動表現出金屬的導電現象。而在TMR元件上，電子的移動是量子力學的隧道效應。為此，在固定層與自由層處于反向平行的狀態，GMR元件具有電子"難以移動"的特性，而TMR元件具有可以說電子"根本不能移動"的極端特性。這是TMR元件的MR比極大的原因，輸出表現出"YES或NO"、"1或0"的鮮明特性。
這也是現在的HDD將TMR元件當作高密度播放元件利用的原因。因此，要是將發揮了高靈敏度特性的TMR元件當作磁性傳感器利用，可獲得極大的輸出。實際上，TDK的TMR傳感器的輸出是AMR傳感器的20倍，GMR傳感器的6倍，達到3,000mV。圖3表示用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性傳感器的特性對比（施加電壓5V時）。

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

（施加電壓5V時）

圖3 用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性傳感器的特性對比

溫度漂移、老化也小，最適合車載電氣設備、產業設備

如果在TMR傳感器上使磁鐵旋轉，自由層的磁化方向追隨磁鐵的磁場方向，元件的電阻連續變化。由于電阻值與固定層和自由層的磁化方向的相對角成正比，可當作角度傳感器利用（圖4）。

圖4 利用TMR元件支撐角度傳感器的原理

固定層的磁化方向被固定，自由層的磁化方向向外部磁場方向看齊。
由于元件的電阻值與固定層和自由層的磁化方向的相對角成正比，作角度傳感器，能夠檢測360°。
TDK的TMR傳感器的輸出甚至是霍爾元件的500倍，而且耗電量低（5mW/推薦條件下），因此作為面向車載用途的傳感器，具備最佳的特性。例如，可作為汽車的轉向角傳感器、EPS（電動動力轉向器）電機用角度傳感器，替代以前的霍爾元件的角度傳感器等。
溫度漂移（周圍溫度變化引起輸出變化）小是傳感器的基本條件。圖5的曲線對比了TDK的TMR傳感器與以前的AMR傳感器的角度誤差的溫度依存度。以前的AMR傳感器在低溫側、高溫側的角度誤差極大，而TDK的TMR傳感器在大的溫度范圍保持穩定的角度精度（在磁場范圍20～80mT、溫度范圍-40～150℃的條件下，角度誤差±0.6°以下）。另外，老化小也是TDK的TMR傳感器的重大特點，除了在車載電氣設備上使用外，還可望在各種產業設備上得到活用。

圖5 角度誤差的溫度依存度（TDK的TMR傳感器與以前的AMR傳感器對比）

也作為旋轉傳感器、電流傳感器為節能行車做貢獻

傳感檢測技術也為汽車的燃油經濟性提高做出了巨大貢獻。在汽車發動機上，為發動機ECU（電子控制單元）計算燃油噴射的最佳時機與噴射量而獲取信息的傳感器有曲軸角度傳感器、凸輪角度傳感器。
曲軸角度傳感器、凸輪角度傳感器有各種方式，不過由于不易受磨損、灰塵等的影響，非接觸式的電磁傳感器成了主流。在曲軸、凸輪軸上安裝使用了磁性體的齒輪狀齒輪脈沖星（脈沖星轉子），然后用偏磁施加磁場，以非接觸的方式相對配置磁性傳感器。如果發動機啟動，齒輪脈沖星旋轉，齒輪的齒的凹凸使磁鐵產生的磁通密度交替變化，因此磁性傳感器將其作為脈沖信號取出，根據單位時間的脈沖個數檢測轉速。為此，也被稱作齒輪齒傳感器等。
TDK的TMR傳感器與使用了霍爾元件的傳感器等相比，具有靈敏度和輸出極高的特點，除了曲軸角度傳感器、凸輪角度傳感器外，作為ABS裝置的車輪速度傳感器也將實現優越的傳感檢測。作為管理蓄電池的充放電，作為實現節能化的電流傳感器，也值得期待。
近年來，在車載電氣設備、產業設備、民生設備上，磁性傳感器的需求擴大了。有人認為即使元件的特性差一點，也能通過使用方法（軟件）彌補傳感器的性能。然而，傳感器是一種轉換器，畢竟要求好的轉換效率。另外，為了實現更安全、更舒適的行車，也預測要求車載傳感器具有的檢測精度是以前的大約2倍。TDK的TMR傳感器是高輸出、高精度、溫度漂移和老化小、穩定性高的劃時代的磁性傳感器，應對今后嚴格的要求精度綽綽有余。TDK為了應對多樣化的應用，正在努力進一步擴充產品陣容。

審核編輯：彭菁