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2017/01/03
磁傳感器是傳感器中應(yīng)用最為廣泛的門類之一，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。與溫度、壓力或者流量等直接測量物理屬性參數(shù)變化不同，磁傳感器一般不是直接測量相關(guān)物理屬性，而是檢測變化，或者由物體或事件引起的磁場干擾。因此，磁場可能帶有與方向、存在狀態(tài)、選裝、角度或電流等屬性相關(guān)的信息，而這些信息將由磁傳感器轉(zhuǎn)換為電壓。少數(shù)磁傳感器是完全測量磁場，例如指南針中測量地磁場。輸出信號需經(jīng)過一些信號處理以轉(zhuǎn)換為所需參數(shù)。顯然，磁場分布取決于產(chǎn)生或干擾磁場的物體（即磁體、電流等）或事件的距離和形式。因此在應(yīng)用設(shè)計(jì)中，應(yīng)始終考慮傳感器和產(chǎn)生磁場的物體這兩方面的因素，這一點(diǎn)非常重要。盡管磁傳感器的使用難度更大，但卻能提供精確、可靠的數(shù)據(jù)，而且無需使用物理端子。
磁阻傳感器的主要特性
磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場強(qiáng)度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)，例如采用霍爾（Hall）元件，各向異性磁電阻（Anisotropic Magnetoresistance, AMR）元件或巨磁電阻（Giant Magnetoresistance, GMR）元件為敏感元件的磁傳感器。
以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器通常使用聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)來放大磁場，提高霍爾輸出靈敏度，從而增加了傳感器的體積和重量，同時霍爾元件具有功耗大，線性度差的缺陷。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多，但是其線性范圍窄，同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線圈對其進(jìn)行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作，造成其制造工藝的復(fù)雜，線圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度，但是其線性范圍偏低。
TMR（Tunnel Magneto Resistance）元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件相對于霍爾元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；相對于AMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更寬的線性范圍，不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)；相對于GMR元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更寬的線性范圍。下圖是四代磁傳感技術(shù)原理圖。
下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對比，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
技術(shù) | 功耗(mA) | 尺寸(mm) | 靈敏度 (mV/V/Oe) | 工作范圍 (Oe) | 分辨率 (mOe） | 溫度特性 (℃) |
Hall | 5～20 | 1×1 | 0.05 | 1～1000 | 500 | ＜150 |
AMR | 1～10 | 1×1 | 1 | 0.001～10 | 0.1 | ＜150 |
GMR | 1～10 | 2×2 | 3 | 0.1～30 | 2 | ＜150 |
TMR | 0.001～0.01 | 0.5×0.5 | 20 | 0.001～200 | 0.1 | ＜200 |
TMR主要特性
下圖是一個MTJ元件的結(jié)構(gòu)原理圖。MTJ元件由釘扎層（Pinning Layer）、隧道勢壘層（Tunnel Barrier）、自由層（Free Layer）構(gòu)成。釘扎層由鐵磁層（被釘扎層，Pinned Layer）和反鐵磁層（AFM Layer）構(gòu)成，鐵磁層和反鐵磁層之間的交換耦合作用決定了鐵磁層的磁矩方向；隧道勢壘層通常由MgO或Al2O3構(gòu)成，位于鐵磁層的上部。鐵磁層位于隧道勢壘層的上部。如圖所示的箭頭分別代表被釘扎層和自由層的磁矩方向。被釘扎層的磁矩在一定大小的磁場作用下是相對固定的，自由層的磁矩相對于被釘扎層的磁矩是相對自由且可旋轉(zhuǎn)的，隨外場的變化而發(fā)生翻轉(zhuǎn)。各薄膜層的典型厚度為0.1 nm到100 nm之間。
底電極層（Bottom Conducting Layer）和頂電極層（Top Conducting Layer）直接與相關(guān)的反鐵磁層和自由層電接觸。電極層通常采用非磁性導(dǎo)電材料，能夠攜帶電流輸入歐姆計(jì)，歐姆計(jì)適用于已知的穿過整個隧道結(jié)的電流，并對電流（或電壓）進(jìn)行測量。通常情況下，隧道勢壘層提供了器件的大多數(shù)電阻，約為1000歐姆，而所有導(dǎo)體的阻值約為10歐姆。底電極層位于絕緣基片（Insulating Layer）上方，絕緣基片要比底電極層要寬，且位于其他材料構(gòu)成的底基片（Body Substrate）的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐熱玻璃、GaAs、AlTiC或者是能夠于晶圓集成的任何其他材料。硅由于其易于加工為集成電路（盡管磁性傳感器不總是需要這種電路）成為最好的選擇。 下圖所示的是在理想情況下的MTJ元件的響應(yīng)曲線。在理想狀態(tài)下，磁電阻R隨外場H的變化是完美的線性關(guān)系，同時沒有磁滯（在實(shí)際情況下，磁電阻的響應(yīng)曲線隨外場變化具有滯后的現(xiàn)象，我們稱之為磁滯。磁電阻的響應(yīng)曲線為一個回路，通常作為應(yīng)用的磁電阻材料的磁滯很小，在實(shí)際使用中可以看做一個完美的線性曲線）。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的傳感器領(lǐng)域，由于磁傳感設(shè)計(jì)的制約以及材料的缺陷，這條曲線會更彎曲。本發(fā)明涉及了傳感器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)以及能夠生產(chǎn)實(shí)施的工序，該傳感器具有卓越的工作感應(yīng)，在工作區(qū)域內(nèi)同時具有高線性度、低磁滯、高靈敏度的特點(diǎn)（即磁電阻響應(yīng)曲線斜率大）。
R-H曲線具有低阻態(tài)RL和高阻態(tài)RH。其高靈敏度的區(qū)域是在零場附近，傳感器的工作區(qū)間位于零場附近，約為飽和場之間1/3的區(qū)域。響應(yīng)曲線的斜率和傳感器的靈敏度成正比。如圖3所示，零場切線和低場切線以及高場切線相交于點(diǎn)（-Hs+Ho)和點(diǎn)（Hs+Ho），可以看出，響應(yīng)曲線不是沿H = 0的點(diǎn)對稱的。Ho是典型的偏移場。Ho值通常被稱為“橘子皮效應(yīng)（Orange-peel Coupling）”或“奈爾耦合（Néel Coupling）”，其典型值為1到40 Oe。其與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的結(jié)構(gòu)和平整度有關(guān)，依賴于材料和制造工藝。Hs被定量地定義為線性區(qū)域的切線與正負(fù)飽和曲線的切線的交點(diǎn)對應(yīng)的值，該值是在響應(yīng)曲線相對于Ho點(diǎn)的不對稱性消除的情況下所取的。圖3中，白色箭頭代表自由層磁矩方向，黑色箭頭代表釘扎層磁矩方向，磁電阻響應(yīng)曲線隨自由層磁矩和被釘扎層磁矩之間角度的變化而變化：當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩反平行時，曲線對應(yīng)高阻態(tài)RH；當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩平行時，曲線對應(yīng)低阻態(tài)RL；當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩垂直時，阻值是位于RL和RH之間的中間值，該區(qū)域是理想的線性磁傳感器的“工作點(diǎn)”。 上圖中的內(nèi)插圖是另一個磁電阻R與外場H的響應(yīng)曲線圖，該磁電阻沿傳感器的法線旋轉(zhuǎn)了180°。在同一外場H的作用下，該磁電阻的響應(yīng)曲線與主圖對應(yīng)的磁電阻的響應(yīng)曲線呈相反的變化趨勢。主圖對應(yīng)的磁電阻和旋轉(zhuǎn)180°設(shè)置的磁電阻可以構(gòu)造電橋，這被證明比其他可能的方法輸出值更大。 電橋可以用來改變磁電阻傳感器的信號，使其輸出電壓便于被放大。這可以改變信號的噪聲，取消共模信號，減少溫漂或其他的不足。MTJ元件可以連接構(gòu)成惠斯通電橋或其他電橋。
上圖是一個典型的MTJ推挽半橋傳感器結(jié)構(gòu)。沿傳感器的法線旋轉(zhuǎn)180°排列的兩個MTJ磁電阻構(gòu)成了半橋結(jié)構(gòu)，其具有3個外接焊盤（Contact-Pad），依次為：偏置電壓（Vbias）、中心點(diǎn)VOUT以及接地點(diǎn)（GND），橋式電路可通過焊盤進(jìn)行電連，穩(wěn)恒電壓Vbias施加于焊盤Vbias端和GND端。在同一外場H的作用下，一個磁電阻的阻值增加的同時另一個的阻值會隨之降低，施加相反方向的外場會使一個磁電阻的阻值降低的同時另一個的阻值會隨之增加，使兩個磁電阻測量外場有相反的響應(yīng)——一個阻值增加另一個阻值降低——這可以增加傳感器的靈敏度，因此被稱為“推挽式”橋式電路。 推挽半橋傳感器的輸出電壓可以通過很多已知的方法進(jìn)行測量，例如在V1和GND焊盤之間連接電壓表，V1和GND之間的電位差（V1-GND）就是輸出電壓，其典型的輸出曲線的模擬結(jié)果如圖4所示。
上圖是MTJ電橋的輸出曲線為模擬信號，可以通過使用NSA5311對模擬信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輸出信號的線性化處理，可根據(jù)用途輸出數(shù)字信號。 巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者法國科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾（Albert Fert）和德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾（Peter Andreas Grünberg）由于其對現(xiàn)代磁記錄和工業(yè)領(lǐng)域的巨大貢獻(xiàn)而獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎，作為GMR元件的下一代技術(shù)，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應(yīng)用于硬盤磁頭領(lǐng)域。相信TMR磁傳感技術(shù)將在工業(yè)、生物傳感、磁性隨機(jī)存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領(lǐng)域有極大的發(fā)展與貢獻(xiàn)。 相關(guān)附件 |
