TMR(Tunneling Magnetoresistance),隧穿磁阻,也称隧道磁阻,是一种新型的磁性传感器技术,最早是用在硬盘中的HHD磁头读写功能上。
磁性传感器的发展过程
自1980年代以后,经历了AMR(各向异性磁阻效应:Anisotropic magnetoresistance effect)元件、GMR(巨磁阻效应:Giant magnetoresistance effect)元件、TMR(隧穿磁阻效应:Tunnel magnetoresistance effect)元件,技术逐渐进步。
AMR元件、GMR元件、TMR元件的结构
TMR元件的磁性结构与GMR元件基本相同,但GMR元件的电流平行于膜面流过,而TMR元件的电流垂直于膜面流过。
依靠先进的薄膜过程技术制造的TMR元件是一种薄膜元件,具有2层强磁性体层(自由层/固定层)夹住1~2nm的薄绝缘体的势垒层的结构。固定层的磁化方向被固定,但自由层的磁化方向根据外部磁场方向而变,元件的电阻也随之而变。当固定层与自由层的磁化方向平行时,电阻最小,势垒层流过大电流。另外,当磁化方向为反向平行时,电阻极端地变大,势垒层几乎没有电流流过。
TMR原理
TMR传感器的输出是AMR传感器的20倍,GMR传感器的6倍
元件电阻的变化比例用MR比这一数值表示。以前的AMR元件、GMR元件的MR比分别为3%、12%左右,而TMR元件甚至达到100%。在用2层强磁性体夹持非磁性体的金属层(Cu等)的GMR元件上,电子的移动表现出金属的导电现象。而在TMR元件上,电子的移动是量子力学的隧道效应。为此,在固定层与自由层处于反向平行的状态,GMR元件具有电子"难以移动"的特性,而TMR元件具有可以说电子"根本不能移动"的极端特性。这是TMR元件的MR比极大的原因,输出表现出"YES或NO"、"1或0"的鲜明特性。
这也是现在的HDD将TMR元件当作高密度播放元件利用的原因。因此,要是将发挥了高灵敏度特性的TMR元件当作磁性传感器利用,可获得极大的输出。实际上,TDK的TMR传感器的输出是AMR传感器的20倍,GMR传感器的6倍,达到3,000mV。图3表示用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比(施加电压5V时)。
施加5V电压时
温度漂移、老化小,适合车载设备、工业设备
如果在TMR传感器上使磁铁旋转,自由层的磁化方向追随磁铁的磁场方向,元件的电阻连续变化。由于电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比,可当作角度传感器使用。
由于元件的电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比,作角度传感器,能够检测360°。
温度漂移(周围温度变化引起输出变化)小是传感器的基本条件。以前的AMR传感器在低温侧、高温侧的角度误差极大,而TMR传感器在大的温度范围保持稳定的角度精度(在磁场范围20~80mT、温度范围-40~150℃的条件下,角度误差±0.6°以下)。另外,老化小也是TMR传感器的重大特点,除了在车载电气设备上使用外,还可望在各种工业设备上得到应用。
可以作为旋转传感器、电流传感器
传感检测技术也为汽车的燃油经济性提高做出了巨大贡献。在汽车发动机上,为发动机ECU(电子控制单元)计算燃油喷射的最佳时机与喷射量而获取信息的传感器有曲轴角度传感器、凸轮角度传感器。
曲轴角度传感器、凸轮角度传感器有各种检测方式,不过由于不易受磨损、灰尘等的影响,非接触式的电磁传感器成了主流。在曲轴、凸轮轴上安装使用了磁性体的齿轮状齿轮脉冲星(脉冲星转子),然后用偏磁施加磁场,以非接触的方式相对配置磁性传感器。如果发动机启动,齿轮脉冲星旋转,齿轮的齿的凹凸使磁铁产生的磁通密度交替变化,因此磁性传感器将其作为脉冲信号取出,根据单位时间的脉冲个数检测转速。为此,也被称作齿轮齿传感器等。
TMR传感器与使用了霍尔元件的传感器等相比,具有灵敏度和输出极高的特点,除了曲轴角度传感器、凸轮角度传感器外,作为ABS装置的车轮速度传感器也将实现优越的传感检测。作为管理蓄电池的充放电,作为实现节能化的电流传感器,也值得期待。
近年来,在车载电气设备、产业设备、民生设备上,磁性传感器的需求扩大了。有人认为即使元件的特性差一点,也能通过使用方法(软件)弥补传感器的性能。然而,传感器是一种转换器,毕竟要求好的转换效率。另外,为了实现更安全、更舒适的行车,也预测要求车载传感器具有的检测精度是以前的大约2倍。TDK的TMR传感器是高输出、高精度、温度漂移和老化小、稳定性高的划时代的磁性传感器,应对今后严格的要求精度绰绰有余。TDK为了应对多样化的应用,正在努力进一步扩充产品阵容。
无线传感器 ● 传感器解决方案
● 内置电池或外接5V电源供电
● 多种传感器和通讯接口:I2C、UART、RS485
● 支持WIFI、4G、Lora等多种无线通讯方式
● 支持串口固件升级
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