企业号介绍

全部
  • 全部
  • 产品
  • 方案
  • 文章
  • 资料
  • 企业

广东微电科技有限公司

50内容数 6538浏览量 8粉丝

广东微电位于南海狮山,总部东方微电2018年成立于光谷。公司2019年被评为国家高新技术企业,产品包括传感芯片、采集模组、控制器、磁探头。

第四代磁传感器——TMR隧道磁阻传感器

12-23 156浏览量

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。

图片

 

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。

图片

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

图片

 

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

图片

或者

图片

式中
 

图片

图片

​分别为两铁磁层磁化方向平行和反平行时的隧穿电阻,

图片

图片

​分别为两铁磁层电极的自旋极化率。显然, 如果

图片

图片

​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。

 

TMR磁传感器产品应用

 

TMR磁传感器产品应用TMR磁传感器的应用非常广泛,包括工业控制、金融器具、生物医疗、消费电子、汽车领域等,其典型特征是低功耗、小尺寸、高灵敏度。薛松生博士给我们举了几个案例。


在流量计领域中,智能水表、智能热量表一般都采用电池供电,因此对传感器的功耗要求非常苛刻。当前水表方案采用干簧管、低功耗霍尔器件以及韦根传感器等,要么频率响应非常低导致测量精度不够,要么就是功耗很大导致电池寿命很短。而采用韦根传感器的智能热量表电路复杂,可靠性差,小流量的测量也不精确。另外,采用霍尔器件的传统电表方案温度性能比较差,由于灵敏度低需要额外增加聚磁环,导致体积和成本增加。目前,采用两个TMR超低功耗磁传感器的方案,根据叶轮转动的磁场变化测量转速,得到水表的瞬时流量,并且功耗非常低(超低功耗全极磁开关MMS2X1H,双极磁开关MMS1X1H,全时供电下只有1.5uA电流,频响大于1KHZ)。在智能电表中,基于TMR磁传感器(如TMR501、TMR503)的电表比传统霍尔器件电表体积更小、成本更低、精度更高、温度特性更好。

图片

智能水表

 

 

图片

智能气表


在金融器具领域,国内的金融设备主要采用电感线圈和锑化铟磁头,无论是检测精度和信噪比,还是磁头的尺寸,均无法与其他发达国家尤其是日本的金融磁头相比,更加严重的是产品一致性存在问题,量产工艺不稳定,无法大批量生产。时至今日,全球(包括中国)高端金融磁头市场都被日本公司垄断。TMR磁性识别传感器(如MMGB015、MMGB065、MMGB18S)是专门用于纸币、银行票据、证券磁特性的检测、识别的新型纯阻抗验钞磁头,主要应用于点验钞机、清分设备、ATM、各类自动售货机读钞、验钞模组和磁卡读头,具有高灵敏度、高信噪比、高频响等特点。

图片

(左)单通道TMR金融磁头 (右上)6通道TMR金融磁头 (右下)18通道TMR金融磁头


在电梯、矿洞、桥梁等钢丝绳无损探伤方面,基于TMR磁传感器的产品(如TMR2703、TMR2705、TMR2901、TMR2903)能够利用弱磁检测精确定位绳索的表面缺陷和内部缺陷,与目前几万、几十万的检测系统相比精度更高、价格更加亲民、检测更加方便。

 

在智能停车管理系统领域,与传统的地感线圈、超声波、RFID、红外线等判断停车位上有无车辆相比,TMR线性磁传感器能够根据车辆对地磁的扰动特征识别出来,精度高、体积小、易于安装维护、全天候工作。


在医疗领域,例如血槽中磁珠外表的生物膜跟血液中不同的病毒结合的实验,通过血液中的磁珠体积变化从而判断病人的病情,而TMR磁传感器能够精准的监测出磁珠体积是否变大。


基于TMR磁传感器的产品在智慧家庭和智能汽车领域将会拓展更多的应用。

 

 

由于 TMR材料同时具备工作磁场低、灵敏度高、热稳定性好等特性,因此,与 GMR 效应相比,TMR效应具有更为广阔的应用前景。研究与开发室温 TMR 值高、热稳定性好、 RA 值低、成本低的 TMR材料将是今后磁电阻材料领域工作的重点和关键。

 

最近浏览过的用户(0查看全部

为你推荐

  • 深入了解磁传感器和加速度传感器2022-03-24 14:53

    何谓传感器(Sensor)? 传感器(Sensor)是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。 人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动,设备也一样,根据传感器获得的信息进行控制或处理。 传感器收集转换的信号(物理量)有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。 这些利用了半导体的物质变化,除此之外,还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。IoT与传感器 所有物体都连接互
  • AHRS和IMU的联系和区别2022-03-24 14:48

    AHRS和IMU的测量元件基本上相同,但由于AHRS的参考系统不同,AHRS相比IMU要多出个磁力计。在AHRS进行运动轨迹和状态监测时,由于陀螺仪时漂的问题,在对运动过程中的旋转角度进行积分时,会随着时间推移而误差越来越大,因此,需要磁力计及时对运动的地理方位角度进行校准。
    IMU AHRS 21浏览量
  • 嵌入式与单片机之间的关系2022-03-16 09:42

    嵌入式系统就是软硬件共同发展的一个结晶;今天嵌入式系统的发展,也越来越紧密地跟随着计算机软件技术的发展了。单片机是嵌入式系统的载体,嵌入式系统利用单片机提供的各种资源,实现灵活控制,广泛应用于各种领域,尤其是进入到我们生活中的方方面面。
    单片机 89浏览量
  • 工业互联网中的传感器网络应用2022-03-14 16:06

    ​“‘中国制造2025’和‘互联网+’是不可分割的,要使中国制造向智能化的方向发展,必须依靠互联网,依靠云计算,依靠大数据,这样才能使中国200多项产量占世界第一的工业产品能够跃上新的水平。”李总理在会见2016夏季达沃斯论坛企业家时说。​工业互联网通过工业资源的网络互连、数据互通和系统互操作,实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应,达到资源的高效利用,
    传感器 电子罗盘 23浏览量
  • 电子罗盘全详解2022-03-09 10:44

    目前, 导航系统在汽车、航海、航空等领域已经得到广泛的应用。电子罗盘是导航系统不可缺少的重要组成部分。
    电子罗盘 陀螺仪 112浏览量
  • 角度传感器详解2022-03-09 09:23

    角度传感器的定义 角度传感器是指能感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。角度传感器,顾名思义,是用来检测角度的。它的身体中有一个孔,可以配合乐高的轴。当连结到RCX上时,轴每转过1/16圈,角度传感器就会计数一次。往一个方向转动时,计数增加,转动方向改变时,计数减少。计数与角度传感器的初始位置有关。当初始化角度传感器时,它的计数值被设置为0,如果需要,
    角度传感器 126浏览量
  • 嵌入式开发常见通信协议2022-02-28 17:03

    本文介绍了几个可用的物联网通信协议,它们具有不同的性能、数据速率、覆盖范围、功率和内存,而且每一种协议都有各自的优点和或多或少的缺点。其中一些通信协议只适合小型家用电器,而其他一些通信协议则可以用于大型智慧城市项目。
  • 一文读懂电子罗盘的原理、校准和应用2022-02-16 15:17

    详细讲解了电子罗盘的工作原理、系统组成、应用领域和校准方法,有兴趣的朋友可以阅读一下,有问题可以在评论区留言或者私信我,方便的话麻烦点个赞。
  • 姿态传感器和IMU的联系和区别2022-02-15 16:35

    围绕航向姿态参考系统(英文简称AHRS)和惯性测量单元(英文简称IMU),来介绍一下,AHRS和IMU的在利用加速度传感器、陀螺仪、磁力计等传感器进行惯性测量等方面的联系与区别,以及它们各自的适用领域。
  • 数据采集器详解2022-01-12 15:40

    使用ARM处理器,通过转发或模拟常见热敏打印机、票据打印机、POS机、彩票机等,实现采集主机下发的打印数据的功能,其数据输出接口支持有线太网口、无线WIFI或4G接口。具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证。
  • 数据采集盒2021-10-29 15:28

    产品型号:DF-CO-100 供电电压:5~12V 支持系统:Win7/8/10,MacOSX,Linux,Android 支持:串口、并口、USB口打印机 支持:即插即用,主机无需安装额外驱动程序 支持:边打边采、无纸化打印采集
  • 组合导航2021-10-29 15:07

    产品型号:DF-IN-100 定向精度:0.8° 动态对准 水平姿态精度:0.05° RMS 速度精度:0.1m/s 方位精度:1° 位置精度:RTK:0.02 RMS ,单点:1.5m RMS
  • 倾角传感器2021-10-29 15:02

    产品型号:SEC-501 分辨率:0.01° 供电电压:9~35V 最高精度:0.3°(静态) 0.5°(动态) 量程:正负90° 防护等级:IP67防水等级
  • 九轴电子罗盘2021-10-29 14:47

    产品型号:DF-EC-100 航向精度:小于等于0.5°(RMS) 分辨率:0.01° 重复性:0.05° 俯仰精度:0.3° 俯仰倾斜范围:正负85°
  • 九轴姿态传感器2021-10-29 10:00

    产品型号:DF-AS-100 航向精度:小于0.3°(RMS) 分辨率:0.01° 重复性:0.1° 俯仰精度:0.2° 俯仰倾斜范围:正负85°