隧穿磁阻技术,磁传感器的领军者

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作者: 走芯人,文章来源:走芯人微信公众号

对于业内人士来说,磁阻的概念可以说是一个并不陌生的名词:材料的电阻会因外加磁场而增加或减少,电阻的变化量称为磁阻(Magnetoresistance)。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。同霍尔效应一样,磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。从一般磁阻开始,磁阻发展经历了常磁阻(OMR),异向磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),隧穿磁阻(TMR)的过程。

也伴随着近年来磁阻效应的广泛应用,磁阻器件在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到深度器重。然而比较可惜的是,无论国内国外,技术要求和表现相对更靠后的一代磁传感器——霍尔传感器一直都是厂家的青睐之选,而已经得到技术成熟度催化的第四代磁传感器——隧穿磁阻(TMR)却鲜有问津。

然而由于近一年来国内对于太阳能光伏、公共充电桩领域的技术刚需,TMR逐步开始崭露头角,行业对于TMR的角色和求知欲也与日俱增。今天就为大家好好介绍一番关于TMR技术的优势和应用方向。

1. TMR,磁传感器的第四代先锋

TMR(Tunnel Magneto Resistance),全称隧穿磁阻技术,最早是用在硬盘中的磁性读写功能上,享誉盛名的MRAM磁性随机存取内存就是基于此。也正是因为其对磁场检测的精度、准确度相当高,并且使用寿命和稳定性相比前几代磁传感技术都会更好,所以其元件,尤其是磁电阻效应传感器,在近年来开始受到工业领域的广泛衍生和应用。

针对磁传感器的发展历程,无论是第一代的霍尔传感器,还是之后的AMR传感器、GMR传感器,包括现在的TMR传感器,本质都是对磁场,尤其是对电磁场的利用。而相比较之下,TMR传感器的优势在于其遥遥领先的稳定性、灵敏度、小封装以及低功耗等等,相比前几代在性能上都有至少十多倍的提升。而这些特性参数上的突破,又给许多产业和产品的功能塑造上提供了更多样的可能性。

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从功能上看,TMR传感器的应用主要分为三类:线性位置测量、角度测量和电流测量。这三类TMR传感器的应用基本覆盖和满足了当前国内所有工业自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统以及精密测量技术等等方面的应用。接下来我们就具体来看下。

2. TMR在线性位置上的应用价值和方向

TMR传感器在线性位置测量上最大的应用莫过于在液位计上的使用了。例如在汽车油箱存量上的检测,就可以利用TMR传感器。其原理是利用磁传感器之间的磁场读写功能,当油箱液位下降到下一个传感器的位置时候,磁场读写输出信号为1,其他为0,同时利用TMR传感器在反应灵敏度和精确度的优势,就可以第一时间反馈出当前油箱的即时存量。

而在这个基础上,如果要获得更精细的测量液体下降的高度,得到更精准的刻度,一种方法是通过增加传感器数量,缩小传感器之间的距离来达成,另一种方法则更为先进,设定之后的传感器是一个位置滑动性组件,那就可以让磁场信号读写在一个限定区间里进行,这样不仅可以大量减少成本,同时也可以达到精细化刻度的目标。

图3

另一个比较普及的线性位置应用,其实来自于我们日常接触到的游戏手柄。其实一些高端手柄,如XBOX手柄的扳机键已经运用到了霍尔传感器,但其实摇杆的设定也会适合磁传感器发挥功能。相比较运用电位器的机械式结构。磁传感器的游戏手柄的优势是非常明显的。一方面毫无疑问是对于灵敏度的应需,另一方面在于技术成本的减小。这里的成本指的是整体的制造成本,尽管磁传感器的独立成本一定会高于电位器,但是机械结构势必意味着从封装和线路排列,会损耗更多的投入,但是磁传感器的应用和植入其实蛮“傻瓜”的,就可以综合性地缩减成本开支。

3. TMR在角度测量上的应用价值和方向

而在家庭电器方面,尤其在高端家庭电器领域,TMR传感器在角度测量方面的应用扮演起了主要的角色。家庭电器传统按钮从最原始的固定式旋钮变成了固定按钮式,然后又把按钮做进了面板内,这样一方面缩小电器的不规则体积,方面收纳和清洗,另一方面满足了高定产品的高级感。但缺点也立竿见影,从旋钮到按钮的更迭,从应用上看,某种程度上是牺牲了更精细化功率输出能力的。因此,TMR技术得到了用武之地。利用磁阻效应,我们可以把旋钮设为非固定式,甚至是非接触式外置配件,这样就同时兼顾到更精准的功率控制和输出能力,也满足电器方便收纳和清洗的使用需求。另一方面,从产品生态发展的趋势来看,这种应用也是符合智能家居生态进化论的,同样的旋钮外置配件,是可以用来同时控制灶具、冰箱、洗衣机、空调、电灯等所有开关组件的功率调整和开闭合状态的,这种生态化的统合控制相比目前市面上比较多的智能系统的语音控制也会更精确和自主。

角度测量的原理本质是利用磁场变量和三角函数,去测量偏转角度,然后把再用偏转角度去控制家电的输出功率上。

图4

4. TMR在电流测量上的应用价值和方向

电流测量,可能是TMR传感器最大的应用方向了。一般来说,普通器件测量电流的原理比较简单,在流通环节上,去安置电阻,然后测量通过电阻的电流。但是缺点也很大。一个是对于大电流的测量,就必须串联或者使用大电阻,一方面加大了成本,同时也不得不组装成大体积结构;另一方面则是在超低电流的检测方面,因为移动智能设备的发展、物联网和生物技术的扩展衍生,器件工作电流突破安培级和毫安级,可能会低至微安级,甚至更低,因此用传统控制电阻方法测电流就会意味着需要非常复杂的设备进行搭配测量,简单地原理,但是非常复杂的工艺。而磁传感器就完全不会有这些问题。即使是第一代霍尔传感器,都可以巧妙运用聚磁环结构来放大磁场,而且体积重量相比电阻测量都会降低不只一个维度。那作为第四代的TMR传感器又表现如何呢?霍尔传感器的缺陷是功耗大,线性度差,而且聚磁环结构在磁传感器领域里算是臃肿级的配置了。TMR传感器检测电流的原理是,通过检测铜导线结构上所产生的电磁场,再通过运算来得到电流大小。它在去掉了聚磁环结构的基础上,比霍尔传感器有更好的温度稳定性、更高的灵敏度、更低的功耗,以及更好的线性度。这些优势也同样存在于和AMR传感器和GMR传感器的比较优势里。

正因为这一特性,让TMR传感器在充电桩和光伏太阳能板上有着无与伦比的优势。尽管我知道国内目前主要在公共充电桩领域运用的是霍尔传感器去检测电流,但这并不影响TMR传感器是更好的选择。因为相对来说,霍尔传感器成本和封装工艺难度会比TMR更便宜和简单这是事实,但是从效果出发,霍尔传感器响应时间慢、体积大、收到外部温度影响导致的报错率高,这也是无法推诿的事实。而从充电桩的发展趋势来看,未来交流电电桩和交直流一体电桩的普及度会是大趋势,同时单桩1拖2,1拖4的桩体结构势必要求城市内总桩数的电功率损耗有个精确计算,从这个方面想,霍尔传感器就会逐步显示和放大自身的性能缺陷。

说完了TMR,我们再来说说国内目前具有TMR领先技术的公司,其实国内做霍尔的会比较多,因为市场普及度高和成本低的关系,霍尔的应用市场需求会比较大,相对地技术发展就会比较得到青睐。TMR此类算是新型科技元件和技术,在有条件有技术的公司里就会显得凤毛麟角一些。目前具有该项产品技术的公司里,比较大的,如TDK,Murata村田,还有一些小型的科技公司,如多维等等。但技术的前沿性给了国内该项技术的公司不小的壁垒性,随着本土TMR玩家的增加,可以预见距离最新的磁传感器应用普及越来越近了。

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