磁传感器
磁传感器是种类繁多的传感器中的一种，它能够感知与磁征象有关的物理量的变革，并将其转变为电旗子暗记进行检测，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，广泛运用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动掌握及生物医学等领域。
随着科技进步和信息技能的发展，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哀求。
广泛运用的磁传感器紧张是基于电磁感应事理、霍尔效应及磁电阻效应等。个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。目前市场上紧张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)效应而开拓的，而由于 TMR 磁传感器芯片拥有的小型化、低本钱、低功耗、高度集成、高相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
主流的磁传感器仍旧是半导体霍尔器件，但其本身存在的灵敏度低、随意马虎受应力和温度影响、相应频率低以及功耗大的缺陷，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)技能已经成熟并已开始大规模量产。TMR 传感器目前紧张运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、生产工艺与技能以及芯片的设计等多个环节。TMR 技能紧张节制在国外的硬盘制造企业手中，而磁传感器制造企业普遍缺少 n 很芯片制各技能、人才和生产履历。
在全天下范围内，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，而海内受设备和人才的限定，直到 2010 年，才逐渐补充这一领域的空缺。
TMR 传感器的事理和特性
基于磁电阻效应磁旗子暗记可以转变为电旗子暗记，除了电磁电阻(CMR)效应受到温度区间和事情磁场的限定而很难运用以外，其他 AMR、GMR、TMR 三种磁电阻效应都可以运用于磁传感器中。
目前，AMR 传感器已经大规模运用；GMR 传感器正朝阳东升，快速发展。TMR 传感技能最早运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，因而在各种磁传感器技能中，TMR 磁传感用具有无可比拟的技能上风，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能比较。
TMR 效应的产生机理和特点
在铁磁材料中, 由于量子力学交流浸染, 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干系的隧穿效应。 MTJs 的一样平常构造为铁磁层 / 非磁绝缘层 / 铁磁层 ( FM / I/FM )的三明治构造 .。饱和磁化时,两铁磁层的磁化方向相互平行, 而常日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
若两层磁化方向相互平行, 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, 情形则刚好相反, 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革, 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革, 导致 TMR 效应的涌现。
MTJs 中两铁磁层电极的自旋极化率定义为
在研究中，不同的学者对 TMR 值的定义不同, 有的学者采取(2)式的定义, 但最近几年, 大部分学者都采取(3)式的定义。
TMR 磁传感器产品运用
TMR 磁传感器产品运用 TMR 磁传感器的运用非常广泛，包括工业掌握、金融用具、生物医疗、消费电子、汽车领域等，其范例特色是低功耗、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、智能热量表一样平常都采取电池供电，因此对传感器的功耗哀求非常苛刻。当前水表方案采取干簧管、低功耗霍尔器件以及韦根传感器等，要么频率相应非常低导致丈量精度不足，要么便是功耗很大导致电池寿命很短。而采取韦根传感器的智能热量表电路繁芜，可靠性差，小流量的丈量也禁绝确。其余，采取霍尔器件的传统电表方案温度性能比较差，由于灵敏度低须要额外增加聚磁环，导致体积和本钱增加。目前，采取两个 TMR 超低功耗磁传感器的方案，根据叶轮迁徙改变的磁场变革丈量转速，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，频率大于 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、本钱更低、精度更高、温度特性更好。
智能水表
智能气表
在金融用具领域，海内的金融设备紧张采取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这天本的金融磁头比较，更加严重的是产品同等性存在问题，量产工艺不稳定，无法大批量生产。时至今日，环球（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，紧张运用于点验钞机、清分设备、ATM、各种自动售货机读钞、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。
(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毛病和内部毛病，与目前几万、几十万的检测系统比较精度更高、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比较，TMR 线性磁传感器能够根据车辆对地磁的扰动特色识别出来，精度高、体积小、易于安装掩护、全天候事情。
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革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 磁传感器的产品在聪慧家庭和智能汽车领域将会拓展更多的运用。
由于 TMR 材料同时具备事情磁场低、灵敏度高、热稳定性好等特性，因此，与 GMR 效应比较，TMR 效应具有更为广阔的运用前景。研究与开拓室温 TMR 值高、热稳定性好、 RA 值低、本钱低的 TMR 材料将是今后磁电阻材料领域事情的重点和关键
