【導(dǎo)讀】磁傳感器是傳感器中應(yīng)用最為廣泛的門(mén)類(lèi)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(cè)量物理屬性參數(shù)變化不同，磁傳感器一般不是直接測(cè)量相關(guān)物理屬性，而是檢測(cè)變化，或者由物體或事件引起的磁場(chǎng)干擾。因此，磁場(chǎng)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(cè)量磁場(chǎng)，例如指南針中測(cè)量地磁場(chǎng)。輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)一些信號(hào)處理以轉(zhuǎn)換為所需參數(shù)。顯然，磁場(chǎng)分布取決于產(chǎn)生或干擾磁場(chǎng)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(chǎng)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(wú)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(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)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(lèi)型的傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)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(lái)放大磁場(chǎng)，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(shí)霍爾元件具有功耗大，線(xiàn)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(xiàn)性范圍窄，同時(shí)以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設(shè)置Set/Reset線(xiàn)圈對(duì)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(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的設(shè)置在增加尺寸的同時(shí)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(xiàn)性范圍偏低。
TMR（Tunnel Magneto Resistance）元件是近年來(lái)開(kāi)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(duì)磁場(chǎng)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(lái)代指TMR元件，MTJ元件相對(duì)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(xiàn)性度，不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)；相對(duì)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(xiàn)性范圍，不需要額外的set/reset線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)；相對(duì)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(xiàn)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(duì)比，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
TMR主要特性
下圖是一個(gè)MTJ元件的結(jié)構(gòu)原理圖。MTJ元件由釘扎層（Pinning Layer）、隧道勢(shì)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(shì)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(shì)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(chǎng)作用下是相對(duì)固定的，自由層的磁矩相對(duì)于被釘扎層的磁矩是相對(duì)自由且可旋轉(zhuǎn)的，隨外場(chǎng)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(guò)整個(gè)隧道結(jié)的電流，并對(duì)電流（或電壓）進(jìn)行測(cè)量。通常情況下，隧道勢(shì)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(xiàn)。在理想狀態(tài)下，磁電阻R隨外場(chǎng)H的變化是完美的線(xiàn)性關(guān)系，同時(shí)沒(méi)有磁滯（在實(shí)際情況下，磁電阻的響應(yīng)曲線(xiàn)隨外場(chǎng)變化具有滯后的現(xiàn)象，我們稱(chēng)之為磁滯。磁電阻的響應(yīng)曲線(xiàn)為一個(gè)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(gè)完美的線(xiàn)性曲線(xiàn)）。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(xiàn)會(huì)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(shí)具有高線(xiàn)性度、低磁滯、高靈敏度的特點(diǎn)（即磁電阻響應(yīng)曲線(xiàn)斜率大）。
R-H曲線(xiàn)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(chǎng)附近，傳感器的工作區(qū)間位于零場(chǎng)附近，約為飽和場(chǎng)之間1/3的區(qū)域。響應(yīng)曲線(xiàn)的斜率和傳感器的靈敏度成正比。如圖3所示，零場(chǎng)切線(xiàn)和低場(chǎng)切線(xiàn)以及高場(chǎng)切線(xiàn)相交于點(diǎn)（-Hs+Ho)和點(diǎn)（Hs+Ho），可以看出，響應(yīng)曲線(xiàn)不是沿H = 0的點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的。Ho是典型的偏移場(chǎng)。Ho值通常被稱(chēng)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(lài)于材料和制造工藝。Hs被定量地定義為線(xiàn)性區(qū)域的切線(xiàn)與正負(fù)飽和曲線(xiàn)的切線(xiàn)的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，該值是在響應(yīng)曲線(xiàn)相對(duì)于Ho點(diǎn)的不對(duì)稱(chēng)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(xiàn)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(shí)，曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)高阻態(tài)RH；當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩平行時(shí)，曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)低阻態(tài)RL；當(dāng)自由層磁矩與釘扎層磁矩垂直時(shí)，阻值是位于RL和RH之間的中間值，該區(qū)域是理想的線(xiàn)性磁傳感器的“工作點(diǎn)”。
上圖中的內(nèi)插圖是另一個(gè)磁電阻R與外場(chǎng)H的響應(yīng)曲線(xiàn)圖，該磁電阻沿傳感器的法線(xiàn)旋轉(zhuǎn)了180°。在同一外場(chǎng)H的作用下，該磁電阻的響應(yīng)曲線(xiàn)與主圖對(duì)應(yīng)的磁電阻的響應(yīng)曲線(xiàn)呈相反的變化趨勢(shì)。主圖對(duì)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(lái)改變磁電阻傳感器的信號(hào)，使其輸出電壓便于被放大。這可以改變信號(hào)的噪聲，取消共模信號(hào)，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(gè)典型的MTJ推挽半橋傳感器結(jié)構(gòu)。沿傳感器的法線(xiàn)旋轉(zhuǎn)180°排列的兩個(gè)MTJ磁電阻構(gòu)成了半橋結(jié)構(gòu)，其具有3個(gè)外接焊盤(pán)（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(guò)焊盤(pán)進(jìn)行電連，穩(wěn)恒電壓Vbias施加于焊盤(pán)Vbias端和GND端。在同一外場(chǎng)H的作用下，一個(gè)磁電阻的阻值增加的同時(shí)另一個(gè)的阻值會(huì)隨之降低，施加相反方向的外場(chǎng)會(huì)使一個(gè)磁電阻的阻值降低的同時(shí)另一個(gè)的阻值會(huì)隨之增加，使兩個(gè)磁電阻測(cè)量外場(chǎng)有相反的響應(yīng)——一個(gè)阻值增加另一個(gè)阻值降低——這可以增加傳感器的靈敏度，因此被稱(chēng)為“推挽式”橋式電路。
推挽半橋傳感器的輸出電壓可以通過(guò)很多已知的方法進(jìn)行測(cè)量，例如在V1和GND焊盤(pán)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(xiàn)的模擬結(jié)果如圖4所示。
上圖是MTJ電橋的輸出曲線(xiàn)為模擬信號(hào)，可以通過(guò)使用NSA5311對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的線(xiàn)性化處理，可根據(jù)用途輸出數(shù)字信號(hào)。
巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾（Albert Fert）和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾（Peter Andreas Grünberg）由于其對(duì)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(jiǎng)，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(pán)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(chǔ)（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領(lǐng)域有極大的發(fā)展與貢獻(xiàn)。
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