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)](https://product.tdk.com/zh/products/sensor/angle/tmr-angle/img/tmr00001.png)
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](https://product.tdk.com/zh/products/sensor/angle/tmr-angle/img/tmr00002.png)
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 |
![]() |
输出 [mV] |
150 | 560 |
![]() |
温度依存度 [%/℃] |
-0.29 | -0.23 |
![]() |
![图3 用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比](https://product.tdk.com/zh/products/sensor/angle/tmr-angle/img/tmr00003.png)
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](https://product.tdk.com/zh/products/sensor/angle/tmr-angle/img/tmr00004.png)
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)](https://product.tdk.com/zh/products/sensor/angle/tmr-angle/img/tmr00005.png)