TMR磁传感器芯片技术介绍-感算商城

1.TMR基本结构、原理与特点

二十世纪八九十年代，随着材料技术和微加工技术的发展，GMR（巨磁电阻）、TMR（隧穿磁电阻）效应逐步被发现并被认为具有广阔的应用前景，尤其是具有更高MR比率（即更高的灵敏度）、更低功耗的TMR，被广泛应用于信息存储领域，并正在逐步取代霍尔元件等成为新一代的集成化磁场传感器技术。

图1：典型磁传感器性能对比

在两层磁性层中间夹一层极薄的非磁性层，其两侧电阻将随两层磁性层的磁化方向的相对关系变化，两层磁化方向平行时阻值最小（Rp），反平行时阻值最大（RAp），MR值即定义为MR=(RAp-Rp)/Rp，GMR和TMR均具有类似结构和性质，不同的是，GMR中的非磁性层是金属层（通常为Cu），起源于自旋相关的电子散射，MR值通常在百分之几到百分之十几；TMR中的非磁性层则为绝缘材料（通常为Al2O3或MgO），起源于隧穿效应，MR值通常在100% - 200%之间。

TMR效应通常可以由二流体模型解释：电子在输运过程中自旋方向不变，在平行磁化状态下电子将由多子态进入多子态（少子态进入少子态），对应了小电阻，而在反平行磁化状态下电子将由多子态进入少子态（少子态进入多子态），对应了大电阻。若利用反铁磁层或人工反铁磁将其中一层铁磁层的磁化方向固定（钉扎）作为参考层，另一层铁磁层则作为自由层随外磁场偏转，则其整体电阻即随外磁场线性变化，这就是TMR芯片的基本单元MTJ（磁隧道结），如图2所示。在实际应用中，为保证TMR传感器的高灵敏线性输出，通常保持自由层和参考层的初始磁化方向垂直，如图3所示。

图2：TMR基本原理（左）及典型结构（右）示意图

图3：TMR基本结构（左）及传输曲线（右）

2.TMR芯片介绍

2.1产品基本特性

Magic2001及Magic2952产品采用独有的TopSense^TM专利技术，形成了具有极低磁滞、极强抗磁场干扰能力的系列TMR线性磁传感芯片产品，其封装均采用DFN2*2-8L形式，阻值依照规格可订制在kΩ级至MΩ级。其中Magic2001产品典型线性范围为±20 Oe，典型灵敏度为6 mV/V/Oe；Magic2952产品典型线性范围±100 Oe，典型灵敏度1.5 mV/V/Oe。产品表现出极低的磁滞，并在强磁场冲击后传输曲线保持几乎完全一致，而传统产品在强磁冲击后将产生严重畸变，磁滞明显增加，如图4所示。

图4：TopSense抗磁场冲击性能与传统技术对比

此外，使用了TopSense^TM技术的TMR传感器具有一阶线性温漂，这一特点使得后续的温度调理电路可以得到极大简化，调理效果得到明显提升。图5展示了使用TopSense技术的TMR传感器在进行温度调理后不同温度下的响应，得到了良好的一致性。

图5：TopSense技术TMR调理后不同温度下的响应

该系列产品采用了较小的封装，芯片面积仅有2 mm*2 mm，为产品应用带来了相当灵活的选择。

图6：产品实物图

2.2产品应用前景

在实际应用过程中，受电磁干扰、雷电冲击、设备启停导致的瞬间过电流等均有可能在传感器周围产生强磁干扰，良好的抗强磁干扰的稳定性可以保证芯片在复杂工况下稳定工作，极低的磁滞可以保证传感器的线性度及精度，提高重复测量的一致性。在室外等宽温度环境工作时，一阶线性温漂特性可以使传感器通过简便的温漂调理方式即获得十分良好的温度稳定性，保障在环境温度剧烈变化时传感器仍能正常、精准地工作。采用TopSense^TM技术制备的具有极低磁滞，极强抗强磁干扰能力、一阶线性温漂的TMR线性传感芯片将在汽车传感、智能电网、新能源等磁场、电流测量领域展现出巨大的应用前景。