隧道磁阻技術（TMR）及其應用簡介（一）

一、概述

1、磁阻概念：材料的電阻會因外加磁場而增加或減少，電阻的變化量稱為磁阻（Magnetoresistance）。物質在磁場中電阻率發生變化的現象稱為磁阻效應。同霍爾效應一樣，磁阻效應也是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力而產生的。從一般磁阻開始，磁阻發展經歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、異向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。

2、磁阻應用：磁阻效應廣泛用于磁傳感、磁力計、電子羅盤、位置和角度傳感器、車輛探測、GPS導航、儀器儀表、磁存儲（磁卡、硬盤）等領域。磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強等優點在工業、交通、儀器儀表、醫療器械、探礦等領域得到廣泛應用，如數字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統、偽鈔檢別、位置測量等。

3、穿隧磁阻效應（TMR）：穿隧磁阻效應是指在鐵磁－絕緣體薄膜（約1納米）－鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應。TMR效應由于具有磁電阻效應大、磁場靈敏度高等獨特優勢，從而展示出十分誘人的應用前景。此效應更是磁性隨機存取內存（magneticrandomaccessmemory，MRAM）與硬盤中的磁性讀寫頭（readsensors）的科學基礎。

二、穿隧磁阻效應（TMR）的物理簡釋

從經典物理學觀點看來，鐵磁層（F1）＋絕緣層（I）＋鐵磁層（F2）的三明治結構根本無法實現電子在磁層中的穿通，而量子力學卻可以完美解釋這一現象。當兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，總的隧穿電流較大，此時器件為低阻狀態；當兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，而少數自旋子帶的電子也進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態。可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當磁化方向發生變化時，隧穿電阻發生變化，因此稱為隧道磁電阻效應。

圖1 TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

TMR磁傳感器利用磁場變化引起磁電阻變化的原理，因此我們可以通過TMR磁傳感器的電阻變化來測算外磁場的變化。實際的TMR磁阻傳感器的制作遠比鐵磁層＋絕緣層＋鐵磁層的三明治結構復雜。基本結構除了鐵磁層＋絕緣層＋鐵磁層的三明治結構外，還在上下增加頂電極層（upper contact）和底電極層（lower contact），兩層電極直接與相近的磁層接觸。底電極層位于絕緣基片（Insulating）上方，絕緣基片要比底電極層要寬，且位于襯底（Substrate）的上方。

圖2 TMR磁阻傳感器的結構

三、TMR磁阻傳感器的特性

基于磁電阻效應磁信號可以轉變為電信號，除了龐磁電阻（CMR）效應受到溫度區間和工作磁場的限制而很難應用以外，其他AMR、GMR、TMR三種磁電阻效應都可以應用于磁傳感器中。

目前，AMR傳感器已經大規模應用；GMR傳感器正方興未艾，快速發展。TMR傳感技術最早應用于硬盤驅動器讀出磁頭，大大提高了硬盤驅動器的記錄密度。它集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態范圍優點于一體，因而在各類磁傳感器技術中，TMR磁傳感器具有無可比擬的技術優勢，其各項性能指標均遠優于其他類型的傳感器，下表1給出了三種效應的傳感器技術比較。

表1 三種MR傳感技術比較

由TMR材料制成各種高靈敏度磁傳感器，用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。此類傳感器具有體積小、可靠性高、響應范圍寬等優勢，能滿足應對自動化技術、家用電器、商標識別、衛星定位、導航系統以及精密測量技術等方面越來越苛刻的要求。基于TMR技術制成的傳感器有以下特點：

1、高靈敏度——被檢測信號的強度越來越弱，需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環境測量。

（1）電流傳感器：需要檢測到nA級別的電流，即使加上聚磁環，也需要磁性傳感器本身的檢測精度達到nT的水平

（2）角度傳感器：＜0．01的分辨率

（3）齒輪傳感器：齒輪的精細化以及傳感器到齒輪的間距的最大化，導致磁性信號變得非常微弱

（4）太空環境測量：分辨率＜0．015nT

（5）基于磁性異常檢測的海洋布防等：＜0．02pT的檢測分辨率

2、溫度穩定性——更多的應用領域要求傳感器的工作環境越來越嚴酷，這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩定性，行業應用包括汽車電子行業。

（1）汽車電子行業：從滴水成冰的外部環境到滾燙的發動機內部都必須工作

（2）智能電網：可以迎接百年一遇的寒冷，也能堅守在發熱嚴重的封閉體內

（3）航空航天領域：在有保護的情況下，工作溫度的跨度也是非常大的

3、高頻特性——隨著應用領域的推廣，要求傳感器的工作頻率越來越高，應用領域包括水表、汽車電子行業、信息記錄行業。

（1）水表：可以檢測到0．0001m的即時流量（＞ 10 kHz）

（2）汽車電子行業：部件的精密控制，要求信號的頻率越來越高（＞ 200 kHz）

（3）信息記錄行業：要求數據傳輸率 ＞ 1 GHz

4、低功耗——很多領域要求傳感器本身的功耗極低，得以延長傳感器的使用壽命。應用在植入身體內磁性生物芯片，指南針等等。

（1）植入身體內磁性生物芯片

（2）使用電池供電的水表／氣表，以及微功耗智能電表

（3）室外／野外磁性傳感器（磁性異常檢測儀、電子指南針、手持式磁場探測儀等）

（4）航空航天用磁性傳感器