一,、概述
1,、磁阻概念：材料的電阻會(huì)因外加磁場而增加或減少,，電阻的變化量稱為磁阻（Magnetoresistance）。物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng),。同霍爾效應(yīng)一樣，磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的,。從一般磁阻開始,，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）,、異向磁阻（AMR）,、穿隧磁阻（TMR）,、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。
2,、磁阻應(yīng)用：磁阻效應(yīng)廣泛用于磁傳感,、磁力計(jì)、電子羅盤,、位置和角度傳感器,、車輛探測、GPS導(dǎo)航,、儀器儀表,、磁存儲(chǔ)(磁卡、硬盤)等領(lǐng)域,。磁阻器件由于靈敏度高,、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通,、儀器儀表,、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，如數(shù)字式羅盤,、交通車輛檢測、導(dǎo)航系統(tǒng),、偽鈔檢別,、位置測量等。
3,、穿隧磁阻效應(yīng)（TMR）：穿隧磁阻效應(yīng)是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中,，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對(duì)方向變化的效應(yīng)。TMR效應(yīng)由于具有磁電阻效應(yīng)大,、磁場靈敏度高等獨(dú)特優(yōu)勢,，從而展示出十分誘人的應(yīng)用前景。此效應(yīng)更是磁性隨機(jī)存取內(nèi)存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學(xué)基礎(chǔ),。
二,、穿隧磁阻效應(yīng)（TMR）的物理簡釋
從經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實(shí)現(xiàn)電子在磁層中的穿通,，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象,。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài),，總的隧穿電流較大，此時(shí)器件為低阻狀態(tài)；當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行,，情況則剛好相反,，即多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài),，此時(shí)隧穿電流較小,，器件為高阻狀態(tài)?？梢钥闯?，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時(shí),，隧穿電阻發(fā)生變化,，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。
圖1 TMR磁化方向平行和反平行時(shí)的雙電流模型
TMR磁傳感器利用磁場變化引起磁電阻變化的原理,，因此我們可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測算外磁場的變化,。實(shí)際的TMR磁阻傳感器的制作遠(yuǎn)比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)復(fù)雜?；窘Y(jié)構(gòu)除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)外，還在上下增加頂電極層（upper contact）和底電極層（lower contact）,，兩層電極直接與相近的磁層接觸,。底電極層位于絕緣基片（Insulating）上方，絕緣基片要比底電極層要寬,，且位于襯底（Substrate）的上方,。
圖2 TMR磁阻傳感器的結(jié)構(gòu)
三、TMR磁阻傳感器的特性
基于磁電阻效應(yīng)磁信號(hào)可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),，除了龐磁電阻(CMR)效應(yīng)受到溫度區(qū)間和工作磁場的限制而很難應(yīng)用以外,，其他AMR、GMR,、TMR三種磁電阻效應(yīng)都可以應(yīng)用于磁傳感器中,。
目前，AMR傳感器已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用,；GMR傳感器正方興未艾,，快速發(fā)展。TMR傳感技術(shù)最早應(yīng)用于硬盤驅(qū)動(dòng)器讀出磁頭,，大大提高了硬盤驅(qū)動(dòng)器的記錄密度,。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)點(diǎn)于一體，因而在各類磁傳感器技術(shù)中,，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢,，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型的傳感器，下表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。
由TMR材料制成各種高靈敏度磁傳感器,，用于檢測微弱磁場和對(duì)微弱磁場信號(hào)進(jìn)行傳感,。此類傳感器具有體積小、可靠性高,、響應(yīng)范圍寬等優(yōu)勢,，能滿足應(yīng)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)、家用電器,、商標(biāo)識(shí)別,、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測量技術(shù)等方面越來越苛刻的要求,?；赥MR技術(shù)制成的傳感器有以下特點(diǎn)：
1、高靈敏度——被檢測信號(hào)的強(qiáng)度越來越弱,，需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高,。應(yīng)用方面包括電流傳感器、角度傳感器,、齒輪傳感器,、太空環(huán)境測量。
?。?）電流傳感器：需要檢測到nA級(jí)別的電流,，即使加上聚磁環(huán)，也需要磁性傳感器本身的檢測精度達(dá)到nT的水平
?。?）角度傳感器：<0.01的分辨率
?。?）齒輪傳感器：齒輪的精細(xì)化以及傳感器到齒輪的間距的最大化，導(dǎo)致磁性信號(hào)變得非常微弱
?。?）太空環(huán)境測量：分辨率<0.015nT
?。?）基于磁性異常檢測的海洋布防等：<0.02pT的檢測分辨率
2、溫度穩(wěn)定性——更多的應(yīng)用領(lǐng)域要求傳感器的工作環(huán)境越來越嚴(yán)酷,，這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩(wěn)定性,，行業(yè)應(yīng)用包括汽車電子行業(yè)。
?。?）汽車電子行業(yè)：從滴水成冰的外部環(huán)境到滾燙的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部都必須工作
?。?）智能電網(wǎng)：可以迎接百年一遇的寒冷，也能堅(jiān)守在發(fā)熱嚴(yán)重的封閉體內(nèi)
?。?）航空航天領(lǐng)域：在有保護(hù)的情況下,，工作溫度的跨度也是非常大的
3、高頻特性——隨著應(yīng)用領(lǐng)域的推廣,，要求傳感器的工作頻率越來越高,，應(yīng)用領(lǐng)域包括水表,、汽車電子行業(yè)、信息記錄行業(yè),。
?。?）水表：可以檢測到0.0001m?的即時(shí)流量（> 10 kHz）
（2）汽車電子行業(yè)：部件的精密控制,，要求信號(hào)的頻率越來越高（> 200 kHz）
?。?）信息記錄行業(yè)：要求數(shù)據(jù)傳輸率 > 1 GHz
4、低功耗——很多領(lǐng)域要求傳感器本身的功耗極低,，得以延長傳感器的使用壽命,。應(yīng)用在植入身體內(nèi)磁性生物芯片，指南針等等,。
?。?）植入身體內(nèi)磁性生物芯片
（2）使用電池供電的水表/氣表,，以及微功耗智能電表
?。?）室外/野外磁性傳感器（磁性異常檢測儀、電子指南針,、手持式磁場探測儀等）
?。?）航空航天用磁性傳感器
5、抗干擾性——很多領(lǐng)域里傳感器的使用環(huán)境沒有任何評(píng)比,，就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性,。包括電子羅盤、金融磁頭等,。
（1）電子羅盤：大多數(shù)電路板產(chǎn)生的雜散磁場為地磁場的50倍以上,；
?。?）金融磁頭：內(nèi)部的各種電機(jī)產(chǎn)生的磁場的強(qiáng)度為磁性油墨磁場的50倍以上；
?。?）POS機(jī)磁頭：手機(jī)信號(hào)的磁場為磁頭磁場的5倍以上,；
（4）水表,、氣表等,；
（5）汽車電子：發(fā)動(dòng)機(jī),、運(yùn)動(dòng)部件以及各種電線產(chǎn)生磁場的可以在10 Gs以上
6,、小型化、集成化,、智能化——要想做到以上需求,，這就需要芯片級(jí)的集成，模塊級(jí)集成，產(chǎn)品級(jí)集成
?。?）芯片級(jí)的集成：傳感器 + ASIC數(shù)字式輸出,、標(biāo)準(zhǔn)化輸出
（2）模塊級(jí)集成：芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實(shí)現(xiàn)
?。?）產(chǎn)品級(jí)集成：模塊 + 產(chǎn)品功能化,、智能化
四、TMR技術(shù)在電流檢測領(lǐng)域的優(yōu)勢
電流傳感器是能將被測體的電流的信息,，按一定規(guī)律變換成為符合一定標(biāo)準(zhǔn)需要的電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出,，以滿足信息的傳輸、處理,、存儲(chǔ),、顯示、記錄和控制等要求,。
目前電流傳感器檢測技術(shù)有很多,，常見的有電阻分流器、電流互感器,、霍爾電流傳感器,、磁通門電流傳感器、Rogowski線圈,，磁阻效應(yīng)電流傳感器,，磁致伸縮電流傳感器和光線電流傳感器等等。其中在現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品,，以霍爾為代表的磁傳感器應(yīng)用最為廣泛,。
磁傳感器以感應(yīng)磁場強(qiáng)度來測量電流、位置,、方向等物理參數(shù),，磁傳感器包括霍爾（Hall）元件，各向異性磁電阻（Anisotropic Magnetoresistance,AMR）元件或巨磁電阻（Giant Magnetoresistance,GMR）以及穿隧磁阻效應(yīng)（Tunnel Magnetoresistance,TMR）等元件為敏感元件的傳感器,。
普通器件測量通過器件的電流非常簡單,，因?yàn)殡娏麟娖较鄬?duì)較高，為毫安甚至安培級(jí),。隨著移動(dòng)智能設(shè)備的普及,，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和生物技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今器件工作電流低至微安級(jí)甚至更低,，因此需要更復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行測量,。以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器通常使用聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)來放大磁場，提高霍爾輸出靈敏度,，從而增加了傳感器的體積和重量,，同時(shí)霍爾元件具有功耗大,，線性度差的缺陷。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多,，但是其線性范圍窄,，同時(shí)以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線圈對(duì)其進(jìn)行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作，造成其制造工藝的復(fù)雜,，線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時(shí)也增加了功耗,。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度，但是其線性范圍偏低,。
TMR（TunnelMagnetoresistance）元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器,， TMR技術(shù)最初是用在硬盤中磁性讀寫頭上的，因此其對(duì)磁場檢測的精度,、準(zhǔn)確度以及壽命可靠性在硬盤中經(jīng)過了幾十年的市場檢驗(yàn),。在檢測電流時(shí)是通過檢測銅排和導(dǎo)線上電流所產(chǎn)生的磁場，再通過芯片一定的運(yùn)算來得到電流大小,。相比于之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率,。TMR元件相對(duì)于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度,，更低的功耗,，更好的線性度，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu),；相對(duì)于AMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性,，更高的靈敏度，更寬的線性范圍,，不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu),；相對(duì)于GMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度,，更低的功耗,，更寬的線性范圍。下圖是四代磁傳感技術(shù)原理圖,。
圖 3 磁傳感技術(shù)發(fā)展歷程
下表是霍爾元件、AMR元件,、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對(duì)比,，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
基于TMR芯片制造的電流傳感器在高靈敏度,，溫度穩(wěn)定性,，抗干擾性，小型化,、集成化,、智能化和低功耗方面有著出色的表現(xiàn),。作為第四代磁感應(yīng)技術(shù)。靈敏度,，分辨率,，功耗，溫度特性都有10倍以上的提升,，并能全芯片級(jí)制程控制提供可靠的品質(zhì)和合理的價(jià)格,。
五、TMR磁傳感器產(chǎn)品在各個(gè)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用
TMR磁傳感器產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛,，包括工業(yè)控制,、金融器具、生物醫(yī)療,、消費(fèi)電子,、汽車領(lǐng)域等，其典型特征是低功耗,、小尺寸,、高靈敏度。
1,、在流量計(jì)領(lǐng)域中,，智能水表、智能熱量表一般都采用電池供電,，因此對(duì)傳感器的功耗要求非?？量獭．?dāng)前水表方案采用干簧管,、低功耗霍爾器件以及韋根傳感器等,，要么頻率響應(yīng)非常低導(dǎo)致測量精度不夠，要么就是功耗很大導(dǎo)致電池壽命很短,。而采用韋根傳感器的智能熱量表電路復(fù)雜,，可靠性差，小流量的測量也不精確,。另外,，采用霍爾器件的傳統(tǒng)電表方案溫度性能比較差，由于靈敏度低需要額外增加聚磁環(huán),，導(dǎo)致體積和成本增加,。目前，采用兩個(gè)TMR超低功耗磁傳感器的方案,，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場變化測量轉(zhuǎn)速,，得到水表的瞬時(shí)流量，并且功耗非常低,。在智能電表中,，基于TMR磁傳感器的電表比傳統(tǒng)霍爾器件電表體積更小,、成本更低、精度更高,、溫度特性更好,。
圖3智能水表
圖4智能氣表
2、在電動(dòng)汽車領(lǐng)域,，電動(dòng)汽車上需要檢測電流的地方很多,，比如BMS,MCU,PDU，車載充電器,，DC-DC等目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電流的檢測和監(jiān)控,，除了一些高端車型會(huì)采用精度更高、響應(yīng)速度更快的HALL閉環(huán)電流傳感器,，普遍用的都是HALL開環(huán)方案,。HALL電流傳感器雖然HALL開環(huán)電流傳感器的精度、線性度,、響應(yīng)速度,、溫漂特性等性能方面均不如HALL閉環(huán)方案，但是汽車電氣工程師普遍更在乎其能滿足一般工作要求情況的經(jīng)濟(jì)性（4-10美金）,，當(dāng)下國產(chǎn)的HALL開環(huán)方案市場價(jià)更是有朝3美金方向走的趨勢,。
HALL開環(huán)電流傳感器的確有一定的經(jīng)濟(jì)性，但是其較肥大的體積,，要占用很大空間也越來越受到工程師的詬病,。尤其是在電動(dòng)汽車行業(yè)，動(dòng)力模塊的小型化是各家車廠都競相研究的方向,。
TMR（穿隧磁阻效應(yīng)）電流傳感器,，這種方案可實(shí)現(xiàn)級(jí)小體積的芯片來精確檢測銅排或者導(dǎo)線上電流，其精度,、線性度,、響應(yīng)速度和溫漂特性可以媲美HALL閉環(huán)方案，而且該方案的成本甚至比HALL開環(huán)方案還有優(yōu)勢,。
圖5微安級(jí)TMR電流傳感器
3,、在金融器具領(lǐng)域，國內(nèi)的金融設(shè)備主要采用電感線圈和銻化銦磁頭,，無論是檢測精度和信噪比,，還是磁頭的尺寸，均無法與其他發(fā)達(dá)國家尤其是日本的金融磁頭相比,，更加嚴(yán)重的是產(chǎn)品一致性存在問題，量產(chǎn)工藝不穩(wěn)定,，無法大批量生產(chǎn),。時(shí)至今日,，全球（包括中國）高端金融磁頭市場都被日本公司壟斷。TMR磁性識(shí)別傳感器是專門用于紙幣,、銀行票據(jù),、證券磁特性的檢測、識(shí)別的新型純阻抗驗(yàn)鈔磁頭,，主要應(yīng)用于點(diǎn)驗(yàn)鈔機(jī),、清分設(shè)備、ATM,、各類自動(dòng)售貨機(jī)讀鈔,、驗(yàn)鈔模組和磁卡讀頭，具有高靈敏度,、高信噪比,、高頻響等特點(diǎn)。
圖6（左）單通道TMR金融磁頭（右上）6通道TMR金融磁頭（右下）18通道TMR金融磁頭
4,、在電梯,、礦洞、橋梁等鋼絲繩無損探傷方面,，基于TMR磁傳感器的產(chǎn)品能夠利用弱磁檢測精確定位繩索的表面缺陷和內(nèi)部缺陷,，與目前幾萬、幾十萬的檢測系統(tǒng)相比精度更高,、價(jià)格更加親民,、檢測更加方便。
圖 7 高精度低成本的TMR芯片級(jí)傳感器
5,、在智能停車管理系統(tǒng)領(lǐng)域,，與傳統(tǒng)的地感線圈、超聲波,、RFID,、紅外線等判斷停車位上有無車輛相比，TMR線性磁傳感器能夠根據(jù)車輛對(duì)地磁的擾動(dòng)特征識(shí)別出來,，精度高,、體積小、易于安裝維護(hù),、全天候工作,。
圖 8 TMR傳感器用于停車管理
6、在醫(yī)療領(lǐng)域,，例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒結(jié)合的實(shí)驗(yàn),，通過血液中的磁珠體積變化從而判斷病人的病情，而TMR磁傳感器能夠精準(zhǔn)的監(jiān)測出磁珠體積是否變大,。
基于TMR磁傳感器的產(chǎn)品在智慧家庭和智能汽車領(lǐng)域?qū)?huì)拓展更多的應(yīng)用,。由于TMR材料同時(shí)具備工作磁場低,、靈敏度高、熱穩(wěn)定性好等特性,，因此,，與GMR效應(yīng)相比，TMR效應(yīng)具有更為廣闊的應(yīng)用前景,。研究與開發(fā)室溫TMR值高,、熱穩(wěn)定性好、RA值低,、成本低的TMR材料將是今后磁電阻材料領(lǐng)域工作的重點(diǎn)和關(guān)鍵,。