隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介（一）

一、概述

1、磁阻概念：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，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。

2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。

3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁－绝缘体薄膜（约1纳米）－铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。此效应更是磁性随机存取内存（magneticrandomaccessmemory，MRAM）与硬盘中的磁性读写头（readsensors）的科学基础。

二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释

从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）＋绝缘层（I）＋铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。可以看出，隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当磁化方向发生变化时，隧穿电阻发生变化，因此称为隧道磁电阻效应。

图1 TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

TMR磁传感器利用磁场变化引起磁电阻变化的原理，因此我们可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测算外磁场的变化。实际的TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层＋绝缘层＋铁磁层的三明治结构复杂。基本结构除了铁磁层＋绝缘层＋铁磁层的三明治结构外，还在上下增加顶电极层（upper contact）和底电极层（lower contact），两层电极直接与相近的磁层接触。底电极层位于绝缘基片（Insulating）上方，绝缘基片要比底电极层要宽，且位于衬底（Substrate）的上方。

图2 TMR磁阻传感器的结构

三、TMR磁阻传感器的特性

基于磁电阻效应磁信号可以转变为电信号，除了庞磁电阻（CMR）效应受到温度区间和工作磁场的限制而很难应用以外，其他AMR、GMR、TMR三种磁电阻效应都可以应用于磁传感器中。

目前，AMR传感器已经大规模应用；GMR传感器正方兴未艾，快速发展。TMR传感技术最早应用于硬盘驱动器读出磁头，大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围优点于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR磁传感器具有无可比拟的技术优势，其各项性能指标均远优于其他类型的传感器，下表1给出了三种效应的传感器技术比较。

表1 三种MR传感技术比较

由TMR材料制成各种高灵敏度磁传感器，用于检测微弱磁场和对微弱磁场信号进行传感。此类传感器具有体积小、可靠性高、响应范围宽等优势，能满足应对自动化技术、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方面越来越苛刻的要求。基于TMR技术制成的传感器有以下特点：

1、高灵敏度——被检测信号的强度越来越弱，需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

（1）电流传感器：需要检测到nA级别的电流，即使加上聚磁环，也需要磁性传感器本身的检测精度达到nT的水平

（2）角度传感器：＜0．01的分辨率

（3）齿轮传感器：齿轮的精细化以及传感器到齿轮的间距的最大化，导致磁性信号变得非常微弱

（4）太空环境测量：分辨率＜0．015nT

（5）基于磁性异常检测的海洋布防等：＜0．02pT的检测分辨率

2、温度稳定性——更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷，这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性，行业应用包括汽车电子行业。

（1）汽车电子行业：从滴水成冰的外部环境到滚烫的发动机内部都必须工作

（2）智能电网：可以迎接百年一遇的寒冷，也能坚守在发热严重的封闭体内

（3）航空航天领域：在有保护的情况下，工作温度的跨度也是非常大的

3、高频特性——随着应用领域的推广，要求传感器的工作频率越来越高，应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

（1）水表：可以检测到0．0001m的即时流量（＞ 10 kHz）

（2）汽车电子行业：部件的精密控制，要求信号的频率越来越高（＞ 200 kHz）

（3）信息记录行业：要求数据传输率 ＞ 1 GHz

4、低功耗——很多领域要求传感器本身的功耗极低，得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片，指南针等等。

（1）植入身体内磁性生物芯片

（2）使用电池供电的水表／气表，以及微功耗智能电表

（3）室外／野外磁性传感器（磁性异常检测仪、电子指南针、手持式磁场探测仪等）

（4）航空航天用磁性传感器