1、磁阻概念：材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化量稱為磁阻（Magnetoresistance）。物wu質zhi在zai磁ci場chang中zhong電dian阻zu率lv發fa生sheng變bian化hua的de現xian象xiang稱cheng為wei磁ci阻zu效xiao應ying。同tong霍huo爾er效xiao應ying一yi樣yang，磁ci阻zu效xiao應ying也ye是shi由you於yu載zai流liu子zi在zai磁ci場chang中zhong受shou到dao洛luo倫lun茲zi力li而er產chan生sheng的de。從cong一yi般ban磁ci阻zu開kai始shi，磁ci阻zu發fa展zhan經jing曆li了le巨ju磁ci阻zu（GMR）、龐磁阻（CMR）、異向磁阻（AMR）
、穿隧磁阻（TMR）
、直衝磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。

 

2、磁阻應用：磁阻效應廣泛用於磁傳感
、磁力計

、電子羅盤
、位置和角度傳感器、車輛探測
、GPS導航、儀器儀表、磁存儲(磁卡、硬盤)等領域。磁阻器件由於靈敏度高、抗幹擾能力強等優點在工業
、交通
、儀器儀表、醫療器械、探礦等領域得到廣泛應用，如數字式羅盤、交通車輛檢測、導航係統、偽鈔檢別、位置測量等。

 

3、穿隧磁阻效應（TMR）：穿隧磁阻效應是指在鐵磁-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方向變化的效應。TMR效應由於具有磁電阻效應大、磁場靈敏度高等獨特優勢

，從而展示出十分誘人的應用前景。此效應更是磁性隨機存取內存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(readsensors)的科學基礎。

 

 

從經典物理學觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的(de)三(san)明(ming)治(zhi)結(jie)構(gou)根(gen)本(ben)無(wu)法(fa)實(shi)現(xian)電(dian)子(zi)在(zai)磁(ci)層(ceng)中(zhong)的(de)穿(chuan)通(tong)，而(er)量(liang)子(zi)力(li)學(xue)卻(que)可(ke)以(yi)完(wan)美(mei)解(jie)釋(shi)這(zhe)一(yi)現(xian)象(xiang)。當(dang)兩(liang)層(ceng)鐵(tie)磁(ci)層(ceng)的(de)磁(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)互(hu)相(xiang)平(ping)行(xing)

，多(duo)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)電(dian)子(zi)將(jiang)進(jin)入(ru)另(ling)一(yi)磁(ci)性(xing)層(ceng)中(zhong)多(duo)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)空(kong)態(tai)，少(shao)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)電(dian)子(zi)也(ye)將(jiang)進(jin)入(ru)另(ling)一(yi)磁(ci)性(xing)層(ceng)中(zhong)少(shao)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)空(kong)態(tai)，總(zong)的(de)隧(sui)穿(chuan)電(dian)流(liu)較(jiao)大(da)，此(ci)時(shi)器(qi)件(jian)為(wei)低(di)阻(zu)狀(zhuang)態(tai)

；當dang兩liang層ceng的de磁ci鐵tie層ceng的de磁ci化hua方fang向xiang反fan平ping行xing
，情qing況kuang則ze剛gang好hao相xiang反fan，即ji多duo數shu自zi旋xuan子zi帶dai的de電dian子zi將jiang進jin入ru另ling一yi磁ci性xing層ceng中zhong少shao數shu自zi旋xuan子zi帶dai的de空kong態tai
，而er少shao數shu自zi旋xuan子zi帶dai的de電dian子zi也ye進jin入ru另ling一yi磁ci性xing層ceng中zhong多duo數shu自zi旋xuan子zi帶dai的de空kong態tai，此ci時shi隧sui穿chuan電dian流liu較jiao小xiao
，器qi件jian為wei高gao阻zu狀zhuang態tai。可ke以yi看kan出chu

，隧sui道dao電dian流liu和he隧sui道dao電dian阻zu依yi賴lai於yu兩liang個ge鐵tie磁ci層ceng磁ci化hua強qiang度du的de相xiang對dui取qu向xiang，當dang磁ci化hua方fang向xiang發fa生sheng變bian化hua時shi，隧sui穿chuan電dian阻zu發fa生sheng變bian化hua
，因yin此ci稱cheng為wei隧sui道dao磁ci電dian阻zu效xiao應ying。

 

圖1 TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

 

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。實際的TMR磁阻傳感器的製作遠比鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結構複雜。基本結構除了鐵磁層+絕緣層+鐵磁層的三明治結構外
，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。底電極層位於絕緣基片（Insulating）上方，絕緣基片要比底電極層要寬


，且位於襯底（Substrate）的上方。

 

 

圖2 TMR磁阻傳感器的結構

 

 

基於磁電阻效應磁信號可以轉變為電信號，除了龐磁電阻(CMR)效應受到溫度區間和工作磁場的限製而很難應用以外，其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應都可以應用於磁傳感器中。

 

目前，AMR傳感器已經大規模應用；GMR傳感器正方興未艾，快速發展。TMR傳感技術最早應用於硬盤驅動器讀出磁頭，大大提高了硬盤驅動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態範圍優點於一體，因而在各類磁傳感器技術中
，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術優勢
，其各項性能指標均遠優於其他類型的傳感器，下表1給出了三種效應的傳感器技術比較。

 

表1 三種MR傳感技術比較

 

由TMR材料製成各種高靈敏度磁傳感器，用於檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。此類傳感器具有體積小

、可靠性高、響應範圍寬等優勢
，能滿足應對自動化技術、家用電器、商標識別、衛星定位、導航係統以及精密測量技術等方麵越來越苛刻的要求。基於TMR技術製成的傳感器有以下特點：

 

1、高靈敏度——被檢測信號的強度越來越弱
，需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應用方麵包括電流傳感器、角度傳感器
、齒輪傳感器
、太空環境測量。

 

（1）電流傳感器：需要檢測到nA級別的電流
，即使加上聚磁環
，也需要磁性傳感器本身的檢測精度達到nT的水平

 

（2）角度傳感器：<0.01的分辨率

 

（3）齒輪傳感器：齒輪的精細化以及傳感器到齒輪的間距的最大化
，導致磁性信號變得非常微弱

 

（4）太空環境測量：分辨率<0.015nT

 

（5）基於磁性異常檢測的海洋布防等：<0.02pT的檢測分辨率

 

2
、溫度穩定性——更多的應用領域要求傳感器的工作環境越來越嚴酷，這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩定性
，行業應用包括汽車電子行業。

 

（1）汽車電子行業：從滴水成冰的外部環境到滾燙的發動機內部都必須工作

 

（2）智能電網：可以迎接百年一遇的寒冷，也能堅守在發熱嚴重的封閉體內

 

（3）航空航天領域：在有保護的情況下，工作溫度的跨度也是非常大的

 

3、高頻特性——隨著應用領域的推廣，要求傳感器的工作頻率越來越高
，應用領域包括水表、汽車電子行業、信息記錄行業。

 

（1）水表：可以檢測到0.0001m³的即時流量（> 10 kHz）

 

（2）汽車電子行業：部件的精密控製
，要求信號的頻率越來越高（> 200 kHz）

 

（3）信息記錄行業：要求數據傳輸率 > 1 GHz

 

4、低功耗——很多領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。應用在植入身體內磁性生物芯片，指南針等等。

 

（1）植入身體內磁性生物芯片

 

（2）使用電池供電的水表/氣表，以及微功耗智能電表

 

（3）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）

 

（4）航空航天用磁性傳感器

 

5

、抗幹擾性——很多領域裏傳感器的使用環境沒有任何評比

，就要求傳感器本身具有很好的抗幹擾性。包括電子羅盤、金融磁頭等。

 

（1）電子羅盤：大多數電路板產生的雜散磁場為地磁場的50倍以上；

 

（2）金融磁頭：內部的各種電機產生的磁場的強度為磁性油墨磁場的50倍以上；

 

（3）POS機磁頭：手機信號的磁場為磁頭磁場的5倍以上；

 

（4）水表

、氣表等；

 

（5）汽車電子：發動機、運動部件以及各種電線產生磁場的可以在10 Gs以上

 

6、小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求，這就需要芯片級的集成，模塊級集成，產品級集成

 

（1）芯片級的集成：傳感器 + ASIC數字式輸出
、標準化輸出

 

（2）模塊級集成：芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實現

 

（3）產品級集成：模塊 + 產品功能化
、智能化

 

 

dianliuchuanganqishinengjiangbeicetidedianliudexinxi，anyidingguilvbianhuanchengweifuheyidingbiaozhunxuyaodedianxinhaohuoqitasuoxuxingshidexinxishuchu

，yimanzuxinxidechuanshu
、處理、存儲、顯示、記錄和控製等要求。

 

目前電流傳感器檢測技術有很多，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
、Rogowskixianquan
，cizuxiaoyingdianliuchuanganqi，cizhishensuodianliuchuanganqiheguangxiandianliuchuanganqidengdeng。qizhongzaixiandaigongyehedianzichanpin，yihuoerweidaibiaodecichuanganqiyingyongzuiweiguangfan。

 

磁傳感器以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數，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（Tunnel Magnetoresistance,TMR）等元件為敏感元件的傳感器。

 

普(pu)通(tong)器(qi)件(jian)測(ce)量(liang)通(tong)過(guo)器(qi)件(jian)的(de)電(dian)流(liu)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)，因(yin)為(wei)電(dian)流(liu)電(dian)平(ping)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)，為(wei)毫(hao)安(an)甚(shen)至(zhi)安(an)培(pei)級(ji)。隨(sui)著(zhe)移(yi)動(dong)智(zhi)能(neng)設(she)備(bei)的(de)普(pu)及(ji)，物(wu)聯(lian)網(wang)的(de)應(ying)用(yong)和(he)生(sheng)物(wu)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，當(dang)今(jin)器(qi)件(jian)工(gong)作(zuo)電(dian)流(liu)低(di)至(zhi)微(wei)安(an)級(ji)甚(shen)至(zhi)更(geng)低(di)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)更(geng)複(fu)雜(za)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。以(yi)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)為(wei)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)聚(ju)磁(ci)環(huan)結(jie)構(gou)來(lai)放(fang)大(da)磁(ci)場(chang)
，提(ti)高(gao)霍(huo)爾(er)輸(shu)出(chu)靈(ling)敏(min)度(du)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)了(le)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)體(ti)積(ji)和(he)重(zhong)量(liang)，同(tong)時(shi)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)具(ju)有(you)功(gong)耗(hao)大(da)，線(xian)性(xing)度(du)差(cha)的(de)缺(que)陷(xian)。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多
，但是其線性範圍窄，同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設置Set/Reset線圈對其進行預設/複位操作，造成其製造工藝的複雜
，線圈結構的設置在增加尺寸的同時也增加了功耗。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，但是其線性範圍偏低。

 

TMR（TunnelMagnetoresistance）元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器
， TMR技術最初是用在硬盤中磁性讀寫頭上的，因此其對磁場檢測的精度、zhunqueduyijishoumingkekaoxingzaiyingpanzhongjingguolejishiniandeshichangjianyan。zaijiancedianliushishitongguojiancetongpaihedaoxianshangdianliusuochanshengdecichang，zaitongguoxinpianyidingdeyunsuanlaidedaodianliudaxiao。xiangbiyuzhiqiansuofaxianbingshijiyingyongdeAMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。TMR元件相對於霍爾元件具有更好的溫度穩定性，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結構；相對於AMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更寬的線性範圍
，不需要額外的set/reset線圈結構；相對於GMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度
，更低的功耗，更寬的線性範圍。下圖是四代磁傳感技術原理圖。

 

 

圖 3 磁傳感技術發展曆程

 

下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比，可以更清楚直觀的看到各種技術的優劣。

 

表格2各磁傳感器技術參數

 

 

基於TMR芯片製造的電流傳感器在高靈敏度
，溫度穩定性，抗幹擾性
，小型化、集成化、智能化和低功耗方麵有著出色的表現。作為第四代磁感應技術。靈敏度
，分辨率，功耗
，溫度特性都有10倍以上的提升
，並能全芯片級製程控製提供可靠的品質和合理的價格。

 

 

TMR磁傳感器產品的應用非常廣泛，包括工業控製
、金融器具
、生物醫療、消費電子、汽車領域等
，其典型特征是低功耗、小尺寸
、高靈敏度。

 

1
、在流量計領域中，智能水表、智能熱量表一般都采用電池供電，因此對傳感器的功耗要求非常苛刻。當前水表方案采用幹簧管
、低(di)功(gong)耗(hao)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)以(yi)及(ji)韋(wei)根(gen)傳(chuan)感(gan)器(qi)等(deng)
，要(yao)麼(me)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)非(fei)常(chang)低(di)導(dao)致(zhi)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)不(bu)夠(gou)，要(yao)麼(me)就(jiu)是(shi)功(gong)耗(hao)很(hen)大(da)導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)很(hen)短(duan)。而(er)采(cai)用(yong)韋(wei)根(gen)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)智(zhi)能(neng)熱(re)量(liang)表(biao)電(dian)路(lu)複(fu)雜(za)，可(ke)靠(kao)性(xing)差(cha)，小(xiao)流(liu)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)也(ye)不(bu)精(jing)確(que)。另(ling)外(wai)，采(cai)用(yong)霍(huo)爾(er)器(qi)件(jian)的(de)傳(chuan)統(tong)電(dian)表(biao)方(fang)案(an)溫(wen)度(du)性(xing)能(neng)比(bi)較(jiao)差(cha)
，由(you)於(yu)靈(ling)敏(min)度(du)低(di)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)增(zeng)加(jia)聚(ju)磁(ci)環(huan)，導(dao)致(zhi)體(ti)積(ji)和(he)成(cheng)本(ben)增(zeng)加(jia)。目(mu)前(qian)，采(cai)用(yong)兩(liang)個(ge)TMR超低功耗磁傳感器的方案，根據葉輪轉動的磁場變化測量轉速，得到水表的瞬時流量，並且功耗非常低。在智能電表中

，基於TMR磁傳感器的電表比傳統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、在電動汽車領域，電動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等目前行業內對電流的檢測和監控，除了一些高端車型會采用精度更高、響應速度更快的HALL閉環電流傳感器，普遍用的都是HALL開環方案。HALL電流傳感器雖然HALL開環電流傳感器的精度、線性度、響應速度
、溫漂特性等性能方麵均不如HALL閉環方案，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濟性（4-10美金），當下國產的HALL開環方案市場價更是有朝3美金方向走的趨勢。

 

HALL開kai環huan電dian流liu傳chuan感gan器qi的de確que有you一yi定ding的de經jing濟ji性xing，但dan是shi其qi較jiao肥fei大da的de體ti積ji
，要yao占zhan用yong很hen大da空kong間jian也ye越yue來lai越yue受shou到dao工gong程cheng師shi的de詬gou病bing。尤you其qi是shi在zai電dian動dong汽qi車che行xing業ye，動dong力li模mo塊kuai的de小xiao型xing化hua是shi各ge家jia車che廠chang都dou競jing相xiang研yan究jiu的de方fang向xiang。

 

TMR（穿隧磁阻效應）電流傳感器，這種方案可實現級小體積的芯片來精確檢測銅排或者導線上電流，其精度、線性度、響應速度和溫漂特性可以媲美HALL閉環方案，而且該方案的成本甚至比HALL開環方案還有優勢。

 

 

圖5微安級TMR電流傳感器

 

3、在(zai)金(jin)融(rong)器(qi)具(ju)領(ling)域(yu)，國(guo)內(nei)的(de)金(jin)融(rong)設(she)備(bei)主(zhu)要(yao)采(cai)用(yong)電(dian)感(gan)線(xian)圈(quan)和(he)銻(ti)化(hua)銦(yin)磁(ci)頭(tou)，無(wu)論(lun)是(shi)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)和(he)信(xin)噪(zao)比(bi)，還(hai)是(shi)磁(ci)頭(tou)的(de)尺(chi)寸(cun)，均(jun)無(wu)法(fa)與(yu)其(qi)他(ta)發(fa)達(da)國(guo)家(jia)尤(you)其(qi)是(shi)日(ri)本(ben)的(de)金(jin)融(rong)磁(ci)頭(tou)相(xiang)比(bi)
，更(geng)加(jia)嚴(yan)重(zhong)的(de)是(shi)產(chan)品(pin)一(yi)致(zhi)性(xing)存(cun)在(zai)問(wen)題(ti)，量(liang)產(chan)工(gong)藝(yi)不(bu)穩(wen)定(ding)，無(wu)法(fa)大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)。時(shi)至(zhi)今(jin)日(ri)，全(quan)球(qiu)（包括中國）高端金融磁頭市場都被日本公司壟斷。TMR磁性識別傳感器是專門用於紙幣、銀行票據、證券磁特性的檢測、識別的新型純阻抗驗鈔磁頭，主要應用於點驗鈔機
、清分設備、ATM

、各類自動售貨機讀鈔、驗鈔模組和磁卡讀頭
，具有高靈敏度、高信噪比、高頻響等特點。

 

 

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麵，基於TMR磁傳感器的產品能夠利用弱磁檢測精確定位繩索的表麵缺陷和內部缺陷，與目前幾萬、幾十萬的檢測係統相比精度更高、價格更加親民
、檢測更加方便。

 

 

圖 7 高精度低成本的TMR芯片級傳感器

 

5、 在智能停車管理係統領域，與傳統的地感線圈、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車輛對地磁的擾動特征識別出來，精度高、體積小、易於安裝維護、全天候工作。

 

 

圖 8 TMR傳感器用於停車管理

 

6
、在醫療領域
，例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒結合的實驗

，通過血液中的磁珠體積變化從而判斷病人的病情
，而TMR磁傳感器能夠精準的監測出磁珠體積是否變大。

 

基於TMR磁傳感器的產品在智慧家庭和智能汽車領域將會拓展更多的應用。由於TMR材料同時具備工作磁場低

、靈敏度高、熱穩定性好等特性，因此

，與GMR效應相比，TMR效應具有更為廣闊的應用前景。研究與開發室溫TMR值高、熱穩定性好
、RA值低、成本低的TMR材料將是今後磁電阻材料領域工作的重點和關鍵。