TMR角度传感器

TMR传感器

TDK的TMR传感器是一种新型的磁性传感器，应用了HHD磁头的高灵敏度播放元件——TMR元件。
HDD磁头的播放元件应用了电阻因外部磁场而变的磁阻效应(Magnetoresistance effect)的原理，在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(穿隧磁阻效应：Tunnel magnetoresistance effect)元件，技术逐渐进步，推进了HDD的记录密度飞跃性的提高。各种元件的结构如图1所示。

图1 AMR元件、GMR元件、TMR元件的结构（模式图）

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（图2）。

图2 TMR的原理图左：当自由层与固定层的磁化方向平行时，电阻变小，流过大电流。
图右：当自由层与固定层的磁化方向为反向平行时，电阻变大，只流过微弱的电流。

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）。

	AMR	GMR	TMR
MR比 [％]	3	12	100
输出 [mV]	150	560	3300
温度依存度 [%/℃]	-0.29	-0.23	-0.13

（施加电压5V时）

温度漂移、老化也小，最适合车载电气设备、产业设备

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，可当作角度传感器利用（图4）。

图4 利用TMR元件支撑角度传感器的原理

固定层的磁化方向被固定，自由层的磁化方向向外部磁场方向看齐。
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°。
TDK的TMR传感器的输出甚至是霍尔元件的500倍，而且耗电量低（5mW/推荐条件下），因此作为面向车载用途的传感器，具备最佳的特性。例如，可作为汽车的转向角传感器、EPS（电动动力转向器）电机用角度传感器，替代以前的霍尔元件的角度传感器等。
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。图5的曲线对比了TDK的TMR传感器与以前的AMR传感器的角度误差的温度依存度。以前的AMR传感器在低温侧、高温侧的角度误差极大，而TDK的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TDK的TMR传感器的重大特点，除了在车载电气设备上使用外，还可望在各种产业设备上得到活用。

图5 角度误差的温度依存度（TDK的TMR传感器与以前的AMR传感器对比）