TMR角度傳感器
TMR傳感器
TDK的TMR傳感器是一種新型的磁性傳感器，應(yīng)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(yīng)用了電阻因外部磁場而變的磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance effect)的原理，在1980年代以后，經(jīng)歷了AMR(各向異性磁阻效應(yīng)：Anisotropic magnetoresistance effect)元件、GMR(巨磁阻效應(yīng)：Giant magnetoresistance effect)元件、TMR(穿隧磁阻效應(yīng)：Tunnel magnetoresistance effect)元件，技術(shù)逐漸進(jìn)步，推進(jìn)了HDD的記錄密度飛躍性的提高。各種元件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 AMR元件、GMR元件、TMR元件的結(jié)構(gòu)（模式圖）
TMR元件的磁性結(jié)構(gòu)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(jìn)的薄膜過程技術(shù)制造的TMR元件是一種薄膜元件，具有2層強(qiáng)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(jié)構(gòu)。固定層的磁化方向被固定，但自由層的磁化方向根據(jù)外部磁場方向而變，元件的電阻也隨之而變。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(shù)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(dá)到100%。在用2層強(qiáng)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(xiàn)出金屬的導(dǎo)電現(xiàn)象。而在TMR元件上，電子的移動是量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。為此，在固定層與自由層處于反向平行的狀態(tài)，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(xiàn)出"YES或NO"、"1或0"的鮮明特性。
這也是現(xiàn)在的HDD將TMR元件當(dāng)作高密度播放元件利用的原因。因此，要是將發(fā)揮了高靈敏度特性的TMR元件當(dāng)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(dá)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
|
溫度漂移、老化也小，最適合車載電氣設(shè)備、產(chǎn)業(yè)設(shè)備
如果在TMR傳感器上使磁鐵旋轉(zhuǎn)，自由層的磁化方向追隨磁鐵的磁場方向，元件的電阻連續(xù)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(dāng)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(zhuǎn)向角傳感器、EPS（電動動力轉(zhuǎn)向器）電機(jī)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(cè)、高溫側(cè)的角度誤差極大，而TDK的TMR傳感器在大的溫度范圍保持穩(wěn)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(diǎn)，除了在車載電氣設(shè)備上使用外，還可望在各種產(chǎn)業(yè)設(shè)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）