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    TMR磁傳感器簡介 - 磁傳感器知識 - 傳感器知識庫
    磁傳感器知識

    TMR磁傳感器簡介

    發布日期:2012年05月07日    瀏覽次數:38645

     磁傳感器廣泛用于現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中,有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數,例如采用霍爾(Hall)元件,各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)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通常使用聚磁環結構來放大磁場,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/復位操作,造成其制造工藝的復雜,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,但是其線性范圍偏低。

      TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器,其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應,比之前所發現并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)來代指TMR元件,MTJ元件相對于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;相對于AMR元件具有更好的溫度穩定性,更高的靈敏度,更寬的線性范圍,不需要額外的set/reset線圈結構;相對于GMR元件具有更好的溫度穩定性,更高的靈敏度,更低的功耗,更寬的線性范圍。下圖是四代磁傳感技術原理圖。

     c磁傳感器技術發展歷程

      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。

    技術

    功耗(mA)

    尺寸  (mm)

    靈敏度

    (mV/V/Oe)

    工作范圍

    (Oe)

    分辨率

    (mOe

    溫度特性

    (℃)

    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

      auto_1426

      右圖是一個MTJ元件的結構原理圖。MTJ元件由釘扎層(Pinning Layer)、隧道勢壘層(Tunnel Barrier)、自由層(Free Layer)構成。釘扎層由鐵磁層(被釘扎層,Pinned Layer)和反鐵磁層(AFM Layer)構成,鐵磁層和反鐵磁層之間的交換耦合作用決定了鐵磁層的磁矩方向;隧道勢壘層通常由MgO或Al2O3構成,位于鐵磁層的上部。鐵磁層位于隧道勢壘層的上部。如圖所示的箭頭分別代表被釘扎層和自由層的磁矩方向。被釘扎層的磁矩在一定大小的磁場作用下是相對固定的,自由層的磁矩相對于被釘扎層的磁矩是相對自由且可旋轉的,隨外場的變化而發生翻轉。各薄膜層的典型厚度為0.1 nm到100 nm之間。

      底電極層(Bottom Conducting Layer)和頂電極層(Top Conducting Layer)直接與相關的反鐵磁層和自由層電接觸。電極層通常采用非磁性導電材料,能夠攜帶電流輸入歐姆計,歐姆計適用于已知的穿過整個隧道結的電流,并對電流(或電壓)進行測量。通常情況下,隧道勢壘層提供了器件的大多數電阻,約為1000歐姆,而所有導體的阻值約為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,且位于其他材料構成的底基片(Body Substrate)的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐熱玻璃、GaAs、AlTiC或者是能夠于晶圓集成的任何其他材料。硅由于其易于加工為集成電路(盡管磁性傳感器不總是需要這種電路)成為最好的選擇。 

    auto_1427

      右圖所示的是在理想情況下的MTJ元件的響應曲線。在理想狀態下,磁電阻R隨外場H的變化是完美的線性關系,同時沒有磁滯(在實際情況下,磁電阻的響應曲線隨外場變化具有滯后的現象,我們稱之為磁滯。磁電阻的響應曲線為一個回路,通常作為應用的磁電阻材料的磁滯很小,在實際使用中可以看做一個完美的線性曲線)。在現實應用的傳感器領域,由于磁傳感設計的制約以及材料的缺陷,這條曲線會更彎曲。本發明涉及了傳感器的設計、結構以及能夠生產實施的工序,該傳感器具有卓越的工作感應,在工作區域內同時具有高線性度、低磁滯、高靈敏度的特點(即磁電阻響應曲線斜率大)。

      R-H曲線具有低阻態RL和高阻態RH。其高靈敏度的區域是在零場附近,傳感器的工作區間位于零場附近,約為飽和場之間1/3的區域。響應曲線的斜率和傳感器的靈敏度成正比。如圖3所示,零場切線和低場切線以及高場切線相交于點(-Hs+Ho)和點(Hs+Ho),可以看出,響應曲線不是沿H = 0的點對稱的。Ho是典型的偏移場。Ho值通常被稱為“橘子皮效應(Orange-peel Coupling)”或“奈爾耦合(Néel Coupling)”,其典型值為1到40 Oe。其與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的結構和平整度有關,依賴于材料和制造工藝。Hs被定量地定義為線性區域的切線與正負飽和曲線的切線的交點對應的值,該值是在響應曲線相對于Ho點的不對稱性消除的情況下所取的。圖3中,白色箭頭代表自由層磁矩方向,黑色箭頭代表釘扎層磁矩方向,磁電阻響應曲線隨自由層磁矩和被釘扎層磁矩之間角度的變化而變化:當自由層磁矩與釘扎層磁矩反平行時,曲線對應高阻態RH;當自由層磁矩與釘扎層磁矩平行時,曲線對應低阻態RL;當自由層磁矩與釘扎層磁矩垂直時,阻值是位于RLRH之間的中間值,該區域是理想的線性磁傳感器的“工作點”。

    上圖中的內插圖是另一個磁電阻R與外場H的響應曲線圖,該磁電阻沿傳感器的法線旋轉了180°。在同一外場H的作用下,該磁電阻的響應曲線與主圖對應的磁電阻的響應曲線呈相反的變化趨勢。主圖對應的磁電阻和旋轉180°設置的磁電阻可以構造電橋,這被證明比其他可能的方法輸出值更大。

      電橋可以用來改變磁電阻傳感器的信號,使其輸出電壓便于被放大。這可以改變信號的噪聲,取消共模信號,減少溫漂或其他的不足。MTJ元件可以連接構成惠斯通電橋或其他電橋。auto_1428

     右圖是一個典型的MTJ推挽半橋傳感器結構。沿傳感器的法線旋轉180°排列的兩個MTJ磁電阻構成了半橋結構,其具有3個外接焊盤(Contact-Pad),依次為:偏置電壓(Vbias)、中心點VOUT以及接地點(GND),橋式電路可通過焊盤進行電連,穩恒電壓Vbias施加于焊盤Vbias端和GND端。在同一外場H的作用下,一個磁電阻的阻值增加的同時另一個的阻值會隨之降低,施加相反方向的外場會使一個磁電阻的阻值降低的同時另一個的阻值會隨之增加,使兩個磁電阻測量外場有相反的響應——一個阻值增加另一個阻值降低——這可以增加傳感器的靈敏度,因此被稱為“推挽式”橋式電路。

      推挽半橋傳感器的輸出電壓可以通過很多已知的方法進行測量,例如在V1和GND焊盤之間連接電壓表,V1和GND之間的電位差(V1-GND)就是輸出電壓,其典型的輸出曲線的模擬結果如圖4所示。

    auto_1429

      右圖是MTJ電橋的輸出曲線為模擬信號,可以通過設置一個專用的ASIC芯片對模擬信號進行處理,可根據用途輸出數字信號

      巨磁電阻效應的發現者法國科學家阿爾貝·費爾(Albert Fert)和德國科學家彼得·格林貝格爾(Peter Andreas Grünberg)由于其對現代磁記錄和工業領域的巨大貢獻而獲得2007年諾貝爾物理學獎,作為GMR元件的下一代技術,TMR(MTJ)元件已完全取代GMR元件,被廣泛應用于硬盤磁頭領域。相信TMR磁傳感技術將在工業、生物傳感、磁性隨機存儲(Magnetic Random Access Memory,MRAM)等領域有極大的發展與貢獻


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