【導讀】磁傳感器是傳感器中應用最為廣泛的門類之一，應用領域非常廣泛。與溫度
、壓(ya)力(li)或(huo)者(zhe)流(liu)量(liang)等(deng)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)物(wu)理(li)屬(shu)性(xing)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)不(bu)同(tong)，磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)不(bu)是(shi)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)相(xiang)關(guan)物(wu)理(li)屬(shu)性(xing)，而(er)是(shi)檢(jian)測(ce)變(bian)化(hua)，或(huo)者(zhe)由(you)物(wu)體(ti)或(huo)事(shi)件(jian)引(yin)起(qi)的(de)磁(ci)場(chang)幹(gan)擾(rao)。因(yin)此(ci)
，磁(ci)場(chang)可(ke)能(neng)帶(dai)有(you)與(yu)方(fang)向(xiang)
、存在狀態、選裝、角度或電流等屬性相關的信息
，而這些信息將由磁傳感器轉換為電壓。

少(shao)數(shu)磁(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)完(wan)全(quan)測(ce)量(liang)磁(ci)場(chang)，例(li)如(ru)指(zhi)南(nan)針(zhen)中(zhong)測(ce)量(liang)地(di)磁(ci)場(chang)。輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)需(xu)經(jing)過(guo)一(yi)些(xie)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)以(yi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)所(suo)需(xu)參(can)數(shu)。顯(xian)然(ran)，磁(ci)場(chang)分(fen)布(bu)取(qu)決(jue)於(yu)產(chan)生(sheng)或(huo)幹(gan)擾(rao)磁(ci)場(chang)的(de)物(wu)體(ti)（即磁體、電流等）或huo事shi件jian的de距ju離li和he形xing式shi。因yin此ci在zai應ying用yong設she計ji中zhong，應ying始shi終zhong考kao慮lv傳chuan感gan器qi和he產chan生sheng磁ci場chang的de物wu體ti這zhe兩liang方fang麵mian的de因yin素su
，這zhe一yi點dian非fei常chang重zhong要yao。盡jin管guan磁ci傳chuan感gan器qi的de使shi用yong難nan度du更geng大da，但dan卻que能neng提ti供gong精jing確que、可靠的數據，而且無需使用物理端子。

磁阻傳感器的主要特性

磁傳感器廣泛用於現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中
，有許多不同類型的傳感器用於測量磁場和其他參數
，例如采用霍爾（Hall）元件，各向異性磁電阻（Anisotropic Magnetoresistance, AMR）元件或巨磁電阻（Giant Magnetoresistance, GMR）元件為敏感元件的磁傳感器。

以yi霍huo爾er元yuan件jian為wei敏min感gan元yuan件jian的de磁ci傳chuan感gan器qi通tong常chang使shi用yong聚ju磁ci環huan結jie構gou來lai放fang大da磁ci場chang
，提ti高gao霍huo爾er輸shu出chu靈ling敏min度du
，從cong而er增zeng加jia了le傳chuan感gan器qi的de體ti積ji和he重zhong量liang，同tong時shi霍huo爾er元yuan件jian具ju有you功gong耗hao大da，線xian性xing度du差cha的de缺que陷xian。AMR元件雖然其靈敏度比霍爾元件高很多，但是其線性範圍窄，同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設置Set/Reset線圈對其進行預設/複位操作，造成其製造工藝的複雜，線圈結構的設置在增加尺寸的同時也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾電流傳感器有更高的靈敏度，但是其線性範圍偏低。

TMR（Tunnel Magneto Resistance）元yuan件jian是shi近jin年nian來lai開kai始shi工gong業ye應ying用yong的de新xin型xing磁ci電dian阻zu效xiao應ying傳chuan感gan器qi，其qi利li用yong的de是shi磁ci性xing多duo層ceng膜mo材cai料liao的de隧sui道dao磁ci電dian阻zu效xiao應ying對dui磁ci場chang進jin行xing感gan應ying，比bi之zhi前qian所suo發fa現xian並bing實shi際ji應ying用yong的deAMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件
，MTJ元件相對於霍爾元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，不需要額外的聚磁環結構

；相對於AMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更寬的線性範圍，不需要額外的set/reset線圈結構；相對於GMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗
，更寬的線性範圍。下圖是四代磁傳感技術原理圖。

下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比
，可以更清楚直觀的看到各種技術的優劣。

TMR主要特性

下圖是一個MTJ元件的結構原理圖。MTJ元件由釘紮層（Pinning Layer）、隧道勢壘層（Tunnel Barrier）、自由層（Free Layer）構成。釘紮層由鐵磁層（被釘紮層，Pinned Layer）和反鐵磁層（AFM Layer）構成，鐵磁層和反鐵磁層之間的交換耦合作用決定了鐵磁層的磁矩方向；隧道勢壘層通常由MgO或Al2O3goucheng，weiyutiecicengdeshangbu。tiecicengweiyusuidaoshileicengdeshangbu。rutusuoshidejiantoufenbiedaibiaobeidingzhacengheziyoucengdecijufangxiang。beidingzhacengdecijuzaiyidingdaxiaodecichangzuoyongxiashixiangduigudingde，ziyoucengdecijuxiangduiyubeidingzhacengdecijushixiangduiziyouqiekexuanzhuande，suiwaichangdebianhuaerfashengfanzhuan。gebomocengdedianxinghouduwei0.1 nm到100 nm之間。

底電極層（Bottom Conducting Layer）和頂電極層（Top Conducting Layer）直(zhi)接(jie)與(yu)相(xiang)關(guan)的(de)反(fan)鐵(tie)磁(ci)層(ceng)和(he)自(zi)由(you)層(ceng)電(dian)接(jie)觸(chu)。電(dian)極(ji)層(ceng)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)非(fei)磁(ci)性(xing)導(dao)電(dian)材(cai)料(liao)，能(neng)夠(gou)攜(xie)帶(dai)電(dian)流(liu)輸(shu)入(ru)歐(ou)姆(mu)計(ji)
，歐(ou)姆(mu)計(ji)適(shi)用(yong)於(yu)已(yi)知(zhi)的(de)穿(chuan)過(guo)整(zheng)個(ge)隧(sui)道(dao)結(jie)的(de)電(dian)流(liu)，並(bing)對(dui)電(dian)流(liu)（或電壓）進行測量。通常情況下，隧道勢壘層提供了器件的大多數電阻，約為1000歐姆，而所有導體的阻值約為10歐姆。底電極層位於絕緣基片（Insulating Layer）上方
，絕緣基片要比底電極層要寬，且位於其他材料構成的底基片（Body Substrate）的上方。底基片的材料通常是矽、石英、耐熱玻璃、GaAs、AlTiC或者是能夠於晶圓集成的任何其他材料。矽由於其易於加工為集成電路（盡管磁性傳感器不總是需要這種電路）成為最好的選擇。

下圖所示的是在理想情況下的MTJ元件的響應曲線。在理想狀態下，磁電阻R隨外場H的變化是完美的線性關係
，同時沒有磁滯（zaishijiqingkuangxia，cidianzudexiangyingquxiansuiwaichangbianhuajuyouzhihoudexianxiang
，womenchengzhiweicizhi。cidianzudexiangyingquxianweiyigehuilu，tongchangzuoweiyingyongdecidianzucailiaodecizhihenxiao
，zaishijishiyongzhongkeyikanzuoyigewanmeidexianxingquxian）。在現實應用的傳感器領域，由於磁傳感設計的製約以及材料的缺陷，這條曲線會更彎曲。本發明涉及了傳感器的設計
、結構以及能夠生產實施的工序
，該傳感器具有卓越的工作感應，在工作區域內同時具有高線性度、低磁滯、高靈敏度的特點（即磁電阻響應曲線斜率大）。

R-H曲線具有低阻態RL和高阻態RH。其高靈敏度的區域是在零場附近，傳感器的工作區間位於零場附近，約為飽和場之間1/3的區域。響應曲線的斜率和傳感器的靈敏度成正比。如圖3所示，零場切線和低場切線以及高場切線相交於點（-Hs+Ho)和點（Hs+Ho），可以看出
，響應曲線不是沿H = 0的點對稱的。Ho是典型的偏移場。Ho值通常被稱為“橘子皮效應（Orange-peel Coupling）”或“奈爾耦合（Néel Coupling）”
，其典型值為1到40 Oe。其與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的結構和平整度有關

，依賴於材料和製造工藝。Hs被定量地定義為線性區域的切線與正負飽和曲線的切線的交點對應的值，該值是在響應曲線相對於Ho點的不對稱性消除的情況下所取的。圖3中(zhong)，白(bai)色(se)箭(jian)頭(tou)代(dai)表(biao)自(zi)由(you)層(ceng)磁(ci)矩(ju)方(fang)向(xiang)，黑(hei)色(se)箭(jian)頭(tou)代(dai)表(biao)釘(ding)紮(zha)層(ceng)磁(ci)矩(ju)方(fang)向(xiang)，磁(ci)電(dian)阻(zu)響(xiang)應(ying)曲(qu)線(xian)隨(sui)自(zi)由(you)層(ceng)磁(ci)矩(ju)和(he)被(bei)釘(ding)紮(zha)層(ceng)磁(ci)矩(ju)之(zhi)間(jian)角(jiao)度(du)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)：當自由層磁矩與釘紮層磁矩反平行時，曲線對應高阻態RH；當自由層磁矩與釘紮層磁矩平行時，曲線對應低阻態RL；當自由層磁矩與釘紮層磁矩垂直時，阻值是位於RL和RH之間的中間值，該區域是理想的線性磁傳感器的“工作點”。

上圖中的內插圖是另一個磁電阻R與外場H的響應曲線圖，該磁電阻沿傳感器的法線旋轉了180°。在同一外場H的作用下，該磁電阻的響應曲線與主圖對應的磁電阻的響應曲線呈相反的變化趨勢。主圖對應的磁電阻和旋轉180°設置的磁電阻可以構造電橋，這被證明比其他可能的方法輸出值更大。

電橋可以用來改變磁電阻傳感器的信號，使其輸出電壓便於被放大。這可以改變信號的噪聲，取消共模信號
，減少溫漂或其他的不足。MTJ元件可以連接構成惠斯通電橋或其他電橋。

上圖是一個典型的MTJ推挽半橋傳感器結構。沿傳感器的法線旋轉180°排列的兩個MTJ磁電阻構成了半橋結構
，其具有3個外接焊盤（Contact-Pad），依次為：偏置電壓（Vbias）、中心點VOUT以及接地點（GND）

，橋式電路可通過焊盤進行電連，穩恒電壓Vbias施加於焊盤Vbias端和GND端。在同一外場Hdezuoyongxia
，yigecidianzudezuzhizengjiadetongshilingyigedezuzhihuisuizhijiangdi
，shijiaxiangfanfangxiangdewaichanghuishiyigecidianzudezuzhijiangdidetongshilingyigedezuzhihuisuizhizengjia，shilianggecidianzuceliangwaichangyouxiangfandexiangying——一個阻值增加另一個阻值降低——這可以增加傳感器的靈敏度，因此被稱為“推挽式”橋式電路。

推挽半橋傳感器的輸出電壓可以通過很多已知的方法進行測量，例如在V1和GND焊盤之間連接電壓表
，V1和GND之間的電位差（V1-GND）就是輸出電壓，其典型的輸出曲線的模擬結果如圖4所示。

上圖是MTJ電橋的輸出曲線為模擬信號
，可以通過使用NSA5311對模擬信號進行處理
，實現輸出信號的線性化處理，可根據用途輸出數字信號。

巨磁電阻效應的發現者法國科學家阿爾貝·費爾（Albert Fert）和德國科學家彼得·格林貝格爾（Peter Andreas Grünberg）由於其對現代磁記錄和工業領域的巨大貢獻而獲得2007年諾貝爾物理學獎，作為GMR元件的下一代技術，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應用於硬盤磁頭領域。相信TMR磁傳感技術將在工業、生物傳感、磁性隨機存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領域有極大的發展與貢獻。

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