TMR隧道磁阻传感器 详解TMR传感器的原理和特性 - 全文

在美国拉斯维加斯举办的全球最大电子产品展览会“2018年消费类电子产品展销会（CES 2018）”的 TDK和AKM的展台上发布了一款高精度3轴磁力计。

该磁力计将TDK公司开发的高度灵敏的隧道磁阻（TMR）元件与AKM公司设计的先进电子罗盘ASIC组合到一个小型LGA 11针封装内。该新型TMR磁力计附在一块芯片上，微型尺寸仅为1.6毫米 x 1.6毫米x 0.6毫米，而其特点是具有业内最低的RMS噪音，仅为40 nT-rms，且在在输出数据速率为100Hz时, 电流消耗亦非常低，仅为40 µA。

由于具有10 nT/LSB（最低有效位）的高灵敏度，该磁传感器可以非常精确地检测磁场内细小变化，从而能够在地球磁场或磁场发生器的帮助下高度准确地探测位置和方位。这些独一无二的特点使得TMR磁力计适用于紧凑型电子设备上，例如：智能手机、平板电脑、游戏机控制器和各种各样的可穿戴设备，以及需要位置和方位精度高的其他应用，例如：虚拟现实、增强现实或混合现实（VR、AR和MR）或室内导航。

磁传感器

磁传感器是种类繁多的传感器中的一种，它能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息，广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。

随着科技进步和信息技术的发展，人们对磁传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越高的要求。

广泛应用的磁传感器主要是基于电磁感应原理、霍尔效应及磁电阻效应等。其中基于磁电阻效应的传感器由于其高灵敏度、小体积、低功耗及易

集成等特点正在取代传统的磁传感器。

目前市场上主要的磁传感器芯片是基于霍尔效应、各向异性磁电阻(AMR)和巨磁电阻(GMR)效应而开发的，而由于TMR磁传感器芯片拥有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高响应频率和高灵敏度特性，使其将会成为未来竞争的制高点。

TMR隧道磁阻传感器

主流的磁传感器仍然是半导体霍尔器件，但其本身存在的灵敏度低、容易受应力和温度影响、响应频率低以及功耗大的缺点，使其主导地位正不断受到磁电阻传感器的冲击。

国外薄膜磁电阻传感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技术已经成熟并已开始大规模量产。TMR传感器目前主要应用在硬盘磁头和磁性内存领域，代表厂商：Seagate／WD／TDK；AMR器件代表厂商有：HoneyWell／NEC／日本旭化成／西门子；美国NVE公司小规模量产GMR传感器和少量的Spin—Valve传感器。

TMR磁传感器芯片的研发和生产依赖于纳米薄膜及纳米级电子元器件的生产设备、生产工艺与技术以及芯片的设计等多个环节。TMR技术主要掌握在国外的硬盘制造企业手中，而磁传感器制造企业普遍缺乏n很芯片制各技术、人才和生产经验。

在全世界范围内，国际上也只有美国的两家公司能够小批量生产TIvIR磁传感器芯片，包括美国的NVE和Micro Magnetics，而国内受设备和人才的限制，直到2010年，才逐渐填补这一领域的空白。

TMR传感器的原理和特性

基于磁电阻效应磁信号可以转变为电信号，除了庞磁电阻(CMR)效应受到温度区间和工作磁场的限制而很难应用以外，其他AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以应用于磁传感器中。

目前，AMR传感器已经大规模应用；GMR传感器正方兴未艾，快速发展。TMR传感技术最早应用于硬盘驱动器读出磁头，大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围优点于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR磁传感器具有无可比拟的技术优势，其各项性能指标均远优于其他类型的传感器，表1给出了三种效应的传感器技术比较。

TMR效应的产生机理和特点

在铁磁材料中, 由于量子力学交换作用, 铁磁金属的 3d轨道局域电子能带发生劈裂, 使费米 ( Ferm i)面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。

在磁性隧道结 MTJs中, TMR 效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。 MTJs的一般结构为铁磁层 /非磁绝缘层 /铁磁层 ( FM / I/FM )的三明治结构.。饱和磁化时,两铁磁层的磁化方向互相平行, 而通常两铁磁层的矫顽力不同, 因此反向磁化时, 矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转, 使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。

TMR效应的产生机理示意图

若两层磁化方向互相平行, 则在一个磁性层中, 多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态, 少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态, 总的隧穿电流较大; 若两磁性层的磁化方向反平行, 情况则刚好相反, 即在一个磁性层中, 多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态, 而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态, 这种状态的隧穿电流比较小。 因此, 隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化, 磁化矢量平行时的电导高于反平行时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向, 从而使得隧穿电阻发生变化, 导致TMR效应的出现。

MTJs中两铁磁层电极的自旋极化率定义为

式中 和 N 分别为铁磁金属费米面处自旋向上和自旋向下电子的态密度。

由 Julliere模型可以得到或者式中、分别为两铁磁层磁化方向平行和反平行时的隧穿电阻，、分别为两铁磁层电极的自旋极化率。显然, 如果和均不为零, 则 MTJs中存在 TMR 效应，且两铁磁层电极的自旋极化率越大，TMR 值也越高。

在研究中，不同的学者对 TMR值的定义不同, 有的学者采用(2)式的定义, 但最近几年, 大部分学者都采用(3)式的定义。