mr效應(yīng)的磁傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用

mr效應(yīng)的磁傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用

1磁傳感器tmr傳感器技術(shù)是一項快速發(fā)展的高科技，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。它與通信技術(shù)和計算機技術(shù)一起形成了現(xiàn)代社會的信息安全信息。磁傳感器是種類繁多的傳感器中的一種,它能夠感知與磁現(xiàn)象有關(guān)的物理量的變化,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行檢測,從而直接或間接地探測磁場大小、方向、位移、角度、電流等物理信息,廣泛應(yīng)用于信息、電機、電力電子、能源管理、汽車、磁信息讀寫、工業(yè)自動控制及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。隨著科技進步和信息技術(shù)的發(fā)展,人們對磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩(wěn)定性及功耗等提出了越來越高的要求。目前廣泛應(yīng)用的磁傳感器主要是基于電磁感應(yīng)原理、霍爾效應(yīng)及磁電阻效應(yīng)等。其中基于磁電阻效應(yīng)的傳感器由于其高靈敏度、小體積、低功耗及易集成等特點正在取代傳統(tǒng)的磁傳感器。目前,市場上主要的磁傳感器芯片是基于霍爾效應(yīng)、各向異性磁電阻(AMR)和巨磁電阻(GMR)效應(yīng)而開發(fā)的,而由于TMR磁傳感器芯片擁有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高響應(yīng)頻率和高靈敏度特性,使其將會成為未來競爭的制高點。世界范圍內(nèi),磁傳感器芯片及其次級產(chǎn)品的年產(chǎn)值超過千億人民幣,并以8%的年增長速度持續(xù)增長。目前主流的磁傳感器仍然是半導(dǎo)體霍爾器件,但其本身存在的靈敏度低、容易受應(yīng)力和溫度影響、響應(yīng)頻率低以及功耗大的缺點,使其主導(dǎo)地位正不斷受到磁電阻傳感器的沖擊。國外薄膜磁電阻傳感器(AMR/Spin-Valve/TMR)技術(shù)已經(jīng)成熟并已開始大規(guī)模量產(chǎn)。TMR傳感器目前主要應(yīng)用在硬盤磁頭和磁性內(nèi)存領(lǐng)域(代表廠商:Seagate/WD/TDK);AMR器件代表廠商有:HoneyWell/NEC/日本旭化成/西門子;美國NVE公司小規(guī)模量產(chǎn)GMR傳感器和少量的Spin-Valve傳感器。目前TMR磁傳感器芯片的研發(fā)和生產(chǎn)依賴于納米薄膜及納米級電子元器件的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與技術(shù)以及芯片的設(shè)計等多個環(huán)節(jié)。TMR技術(shù)主要掌握在國外的硬盤制造企業(yè)手中,而磁傳感器制造企業(yè)普遍缺乏TMR芯片制備技術(shù)、人才和生產(chǎn)經(jīng)驗。在全世界范圍內(nèi),國際上也只有美國的兩家公司能夠小批量生產(chǎn)TMR磁傳感器芯片,包括美國的NVE和MicroMagnetics,而國內(nèi)受設(shè)備和人才的限制,直到2010年,才逐漸填補這一領(lǐng)域的空白。磁傳感器在能源、汽車電子、生物醫(yī)療、機械與工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場。我們國家和地方政府一直大力支持和鼓勵磁性材料和磁性傳感器相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并在《十一五計劃》、《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》、《國家863計劃》、《國家973計劃》等都有明確規(guī)劃。尤其在2009年7月溫家寶總理視察江蘇省后,對江蘇省打造物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中心提升到國家戰(zhàn)略層面,而磁傳感器是建立物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺的重要元件,因此磁傳感器的發(fā)展面臨著重大機遇。2tmr傳感器基于磁電阻效應(yīng)磁信號可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?除了龐磁電阻(CMR)效應(yīng)受到溫度區(qū)間和工作磁場的限制而很難應(yīng)用以外,其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應(yīng)都可以應(yīng)用于磁傳感器中,圖1給出了這三種傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。目前,AMR傳感器已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用;GMR傳感器正方興未艾,快速發(fā)展。TMR傳感技術(shù)最早應(yīng)用于硬盤驅(qū)動器讀出磁頭,大大提高了硬盤驅(qū)動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態(tài)范圍優(yōu)點于一體,因而在各類磁傳感器技術(shù)中,TMR磁傳感器具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢,其各項性能指標(biāo)均遠優(yōu)于其他類型的傳感器,表1給出了三種效應(yīng)的傳感器技術(shù)比較。TMR傳感器的應(yīng)用正處于大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)備期,其中江蘇多維科技有限公司是一家致力于TMR傳感技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高科技公司,目前已經(jīng)研制出適合實際生產(chǎn)應(yīng)用的TMR芯片。我們采用該公司提供的TMR芯片,對其在數(shù)字電子羅盤(compass)、角度傳感器、雙極鎖存開關(guān)、電流傳感器和驗鈔機磁頭等方面的應(yīng)用進行了研究。本文主要介紹這些傳感器的工作原理及其性能特點。3各種mtr傳感器的開發(fā)3.1tmr傳感器線性磁傳感器采用自旋閥結(jié)構(gòu)的TMR多層膜通過現(xiàn)代集成工藝制成,圖2a為封裝后的器件實物照片,用小型SOT23-5封裝形式,尺寸僅為2.8mm×1.6mm×1.1mm。器件采用推挽式惠斯通電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計,能夠有效地補償傳感器的溫度漂移。其內(nèi)部包含四個高靈敏度TMR敏感電阻,輸出信號的峰-峰值可達工作電壓的80%,從而降低了許多應(yīng)用中外部信號放大處理電路的復(fù)雜度,在部分應(yīng)用中甚至不需要進行放大,減小了傳感器體積和降低了整體成本。表2給出了TMR單軸傳感器的主要工作條件和性能參數(shù)。傳感器每個橋臂上的電阻大約100k?,微安級的電流消耗成為眾多低功耗應(yīng)用的理想選擇。圖3給出了TMR傳感器的輸出特性曲線,其靈敏度達到120mV/(V·mT),遠高于普通的AMR和GMR傳感器,同時TMR傳感器還具有線性范圍寬、線性度好、功耗低、磁滯小等優(yōu)點。將兩個這種單軸線性傳感器互相垂直放置或封裝到單一芯片中則可以構(gòu)成一個雙軸電子羅盤,不僅可以測量磁場的大小,還可以測量磁場的方向,圖2b為采用TMR芯片構(gòu)成的雙軸電子羅盤的實物照片。3.2tmr電流檢測電流通過導(dǎo)線時在導(dǎo)線周圍會產(chǎn)生磁場,磁場的大小正比于導(dǎo)線中電流的大小,因此采用TMR磁場傳感器測量磁場的大小則可以間接地測量導(dǎo)線中電流的大小,工作原理如圖4所示。傳感單元仍然采用推挽式惠斯通電橋結(jié)構(gòu),輸出信號的峰峰值可達工作電壓的80%,圖5給出TMR電流傳感器(a)實物照片以及(b)測量接線示意圖。圖6是TMR電流傳感器性能輸出曲線,可以看出利用輸出曲線的上升支和下降支測量的結(jié)果相差很小,傳感器的線性度優(yōu)于0.1%。圖7給出了不同電流下傳感器精度的測量結(jié)果,可以看到TMR電流傳感器的測量誤差在0.2%以內(nèi)。3.3tmr角度傳感器的工作條件如圖8所示,在傳感器芯片上表面放置一小塊磁體,通過旋轉(zhuǎn)磁體,該磁體可以在平行于傳感器芯片表面的任意方向產(chǎn)生使TMR芯片飽和的磁場。傳感器中的TMR器件主要由兩磁性層組成,一層是“釘扎層”,磁化方向不受外加磁場影響,另一層是“自由層”,磁化方向隨外加磁場變化,并在外加磁場大小飽和時,與外加磁場方向相同。隧道磁電阻效應(yīng)使得傳感器電阻隨釘扎層和自由層磁化方向夾角呈余弦關(guān)系變化,所以隨著外加磁場角度變化,傳感器的輸出電壓呈正/余弦曲線。由此我們可以通過傳感器的輸出電壓而得到磁體角度位移的變化。由于正弦或余弦曲線的非單調(diào)性,需要兩個磁敏感方向互相垂直的傳感單元提供的信息來最終確定磁體的角度。圖9給出了使用直徑6mm、高度2.5mm的圓柱體磁體、傳感器芯片1V供電、磁體旋轉(zhuǎn)時,TMR角度傳感器兩個正交方向的輸出曲線。表3給出了TMR角度傳感器的工作條件和主要性能參數(shù),角度測量誤差小于1°。這種傳感器可以廣泛應(yīng)用于旋鈕位置傳感、閥門位置傳感、旋轉(zhuǎn)編碼器、非接觸式電位器等領(lǐng)域。3.4tmr傳感和ct傳感雙極鎖存?zhèn)鞲衅鞒３?yīng)用于三表(水表、氣表、熱能表)、流量計、速度傳感器、接近開關(guān)等場合。我們利用TMR傳感芯片開發(fā)出了一款雙極鎖存?zhèn)鞲衅?它集成了TMR和CMOS技術(shù),有高靈敏度、高速、低功耗、高精度等特點。表4以及圖10給出了雙極性開關(guān)傳感器典型性能參數(shù)以及輸出響應(yīng)曲線。(下轉(zhuǎn)15頁)3.5tmr驗鈔機磁頭TMR傳感器具有超高靈敏度、高信噪比和高輸出信號,因此可以廣泛應(yīng)用于大量的微弱磁場探測場合,包括梯度場和絕對磁場檢測。而紙幣磁性識別的驗鈔機磁頭是其一個非常重要的應(yīng)用場合,可以用于紙幣安全線磁性特征鑒別和其它位置磁性定性鑒別。我們利用TMR芯片制作出了TMR驗鈔機磁頭,對20歐元的8mm全埋金屬防偽線進行掃描的信號波形如圖11所示,對2005版100元人民幣紙幣的序列號進行磁性鑒別,其掃描的輸出波形如圖12所示。從圖中可以看出,TMR驗鈔機磁頭,對紙幣磁性識別能獲得理想的磁性特性波形,具有良好的信噪比。4tmr傳感