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TMR磁傳感器簡介 - 磁傳感器常識 - 傳感器常識庫
磁傳感器常識

TMR磁傳感器簡介

宣布日期:2012年05月07日    閱讀次數:42775

 磁傳感器普遍用于古代產業和電子產物中以感到磁場強度來丈量電流、地位、標的目的等物理參數。在現有手藝中,有良多差別范例的傳感器用于丈量磁場和其余參數,比方接納霍爾(Hall)元件,各向同性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)元件為敏感元件的磁傳感器。

  以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器凡是操縱聚磁環布局來縮小磁場,進步霍爾輸入活絡度,從而增添了傳感器的體積和分量,同時霍爾元件具備功耗大,線性度差的缺點。AMR元件固然其活絡度比霍爾元件高良多,可是其線性規模窄,同時以AMR為敏感元件的磁傳感器須要設置Set/Reset線圈對其停止預設/復位操縱,形成其制作工藝的龐雜,線圈布局的設置在增添尺寸的同時也增添了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電傳播感器有更高的活絡度,可是其線性規模偏低。

  TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件是最近幾年來起頭產業操縱的新型磁電阻效應傳感器,其操縱的是磁性多層膜資料的地道磁電阻效應答磁場停止感到,比之前所發明并實際操縱的AMR元件和GMR元件具備更大的電阻變更率。咱們凡是也用磁地道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)來代指TMR元件,MTJ元件絕對霍爾元件具備更好的溫度不變性,更高的活絡度,更低的功耗,更好的線性度,不須要額定的聚磁環布局;絕對AMR元件具備更好的溫度不變性,更高的活絡度,更寬的線性規模,不須要額定的set/reset線圈布局;絕對GMR元件具備更好的溫度不變性,更高的活絡度,更低的功耗,更寬的線性規模。下圖是四代磁傳感手藝道理圖。

 c磁傳感器手藝成長過程

  下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件和TMR元件的手藝參數對照,能夠或許或許更清晰直觀的看到各類手藝的好壞。

手藝

功耗(mA)

尺寸  (mm)

活絡度

(mV/V/Oe)

任務規模

(Oe)

分辯率

(mOe

溫度特征

(℃)

Hall

5~20

1×1

0.05

1~1000

500

<150

AMR

1~10

1×1

1

0.001~10

0.1

<150

GMR

1~10

2×2

3

0.1~30

2

<150

TMR

0.001~0.01

0.5×0.5

20

0.001~200

0.1

<200

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  右圖是一個MTJ元件的布局道理圖。MTJ元件由釘扎層(Pinning Layer)、地道勢壘層(Tunnel Barrier)、自在層(Free Layer)組成。釘扎層由鐵磁層(被釘扎層,Pinned Layer)和反鐵磁層(AFM Layer)組成,鐵磁層和反鐵磁層之間的互換耦合感化決議了鐵磁層的磁矩標的目的;地道勢壘層凡是由MgO或Al2O3組成,位于鐵磁層的上部。鐵磁層位于地道勢壘層的上部。如圖所示的箭頭別離代表被釘扎層和自在層的磁矩標的目的。被釘扎層的磁矩在必然巨細的磁場感化下是絕對牢固的,自在層的磁矩絕對被釘扎層的磁矩是絕對自在且可扭轉的,隨外場的變更而產生翻轉。各薄膜層的典范厚度為0.1 nm到100 nm之間。

  底電極層(Bottom Conducting Layer)和頂電極層(Top Conducting Layer)間接與相干的反鐵磁層和自在層電打仗。電極層凡是接納非磁性導電資料,能夠或許或許照顧電流輸入歐姆計,歐姆計合用于已知的穿過全部地道結的電流,并對電流(或電壓)停止丈量。凡是環境下,地道勢壘層供給了器件的大大都電阻,約為1000歐姆,而一切導體的阻值約為10歐姆。底電極層位于絕緣基片(Insulating Layer)上方,絕緣基片要比底電極層要寬,且位于其余資料組成的底基片(Body Substrate)的上方。底基片的資料凡是是硅、石英、耐熱玻璃、GaAs、AlTiC或是能夠或許或許于晶圓集成的任何其余資料。硅因為其易于加工為集成電路(雖然磁性傳感器不老是須要這類電路)成為最好的挑選。 

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  右圖所示的是在抱負環境下的MTJ元件的呼應曲線。在抱負狀況下,磁電阻R隨外場H的變更是完善的線性干系,同時不磁滯(在實際環境下,磁電阻的呼應曲線隨外場變更具備滯后的景象,咱們稱之為磁滯。磁電阻的呼應曲線為一個回路,凡是作為操縱的磁電阻資料的磁滯很小,在實際操縱中能夠或許或許看作一個完善的線性曲線)。在實際操縱的傳感器范疇,因為磁傳感設想的限制和資料的缺點,這條曲線會更曲折。本發明觸及了傳感器的設想、布局和能夠或許或許出產實行的工序,該傳感用具備出色的任務感到,在任務地區內同時具備高線性度、低磁滯、高活絡度的特色(即磁電阻呼應曲線斜率大)。

  R-H曲線具備低阻態RL和高阻態RH。其高活絡度的地區是在零場四周,傳感器的任務區間位于零場四周,約為飽和場之間1/3的地區。呼應曲線的斜率和傳感器的活絡度成反比。如圖3所示,零場切線和低場切線和高場切線訂交于點(-Hs+Ho)和點(Hs+Ho),能夠或許或許看出,呼應曲線不是沿H = 0的點對稱的。Ho是典范的偏移場。Ho值凡是被稱為“橘子皮效應(Orange-peel Coupling)”或“奈爾耦合(Néel Coupling)”,其典范值為1到40 Oe。其與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的布局和平坦度有關,依靠于資料和制作工藝。Hs被定量地界說為線性地區的切線與正負飽和曲線的切線的交點對應的值,該值是在呼應曲線絕對Ho點的錯誤稱性消弭的環境下所取的。圖3中,紅色箭頭代表自在層磁矩標的目的,玄色箭頭代表釘扎層磁矩標的目的,磁電阻呼應曲線隨自在層磁矩和被釘扎層磁矩之間角度的變更而變更:當自在層磁矩與釘扎層磁矩反平行時,曲線對應高阻態RH;當自在層磁矩與釘扎層磁矩平行時,曲線對應低阻態RL;當自在層磁矩與釘扎層磁矩垂直時,阻值是位于RLRH之間的中間值,該地區是抱負的線性磁傳感器的“任務點”。

上圖中的內插圖是另外一個磁電阻R與外場H的呼應曲線圖,該磁電阻沿傳感器的法線扭轉了180°。在統一外場H的感化下,該磁電阻的呼應曲線與主圖對應的磁電阻的呼應曲線呈相反的變更趨向。主圖對應的磁電阻和扭轉180°設置的磁電阻能夠或許或許機關電橋,這被證實比其余能夠的方式輸入值更大。

  電橋能夠或許或許用來轉變磁電阻傳感器的旌旗燈號,使其輸入電壓便于被縮小。這能夠或許或許轉變旌旗燈號的噪聲,打消共模旌旗燈號,削減溫漂或其余的缺乏。MTJ元件能夠或許或許毗連組成惠斯通電橋或其余電橋。auto_1428

 右圖是一個典范的MTJ推挽半橋傳感器布局。沿傳感器的法線扭轉180°擺列的兩個MTJ磁電阻組成了半橋布局,其具備3個外接焊盤(Contact-Pad),順次為:偏置電壓(Vbias)、中間點VOUT和接地點(GND),橋式電路可經由過程焊盤停止電連,穩恒電壓Vbias施加于焊盤Vbias端和GND端。在統一外場H的感化下,一個磁電阻的阻值增添的同時另外一個的阻值會隨之下降,施加相反標的目的的外場會使一個磁電阻的阻值下降的同時另外一個的阻值會隨之增添,使兩個磁電阻丈量外場有相反的呼應——一個阻值增添另外一個阻值下降——這能夠或許或許增添傳感器的活絡度,是以被稱為“推挽式”橋式電路。

  推挽半橋傳感器的輸入電壓能夠或許或許經由過程良多已知的方式停止丈量,比方在V1和GND焊盤之間毗連電壓表,V1和GND之間的電位差(V1-GND)便是輸入電壓,其典范的輸入曲線的摹擬成果如圖4所示。

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  右圖是MTJ電橋的輸入曲線為摹擬旌旗燈號,能夠或許或許經由過程設置一個公用的ASIC芯片對摹擬旌旗燈號停止處置,可按照用處輸入數字旌旗燈號

  巨磁電阻效應的發明者法國迷信家阿爾貝·費爾(Albert Fert)和德國迷信家彼得·格林貝格爾(Peter Andreas Grünberg)因為其對古代磁記實和產業范疇的龐大進獻而取得2007年諾貝爾物理學獎,作為GMR元件的下一代手藝,TMR(MTJ)元件已完整代替GMR元件,被普遍操縱于硬盤磁頭范疇。信任TMR磁傳感手藝將在產業、生物傳感、磁性隨機存儲(Magnetic Random Access Memory,MRAM)等范疇有極大的成長與進獻


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