近年來(lái)，隨著(zhù)磁阻效應的廣泛應用，磁阻器件在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫療器械、探礦等范疇得到深度重視。但是較可惜的是，不管?chē)鴥葒?，技術(shù)要求和表現相對更靠后的一代磁傳感器——霍爾傳感器一直以來(lái)都是廠(chǎng)家的青睞之選，而已獲得技術(shù)成熟度催化的第四代磁傳感器——隧穿磁阻(TMR)卻鮮少有人問(wèn)起。

 

對于業(yè)內人士來(lái)說(shuō),磁阻的概念可以說(shuō)是一個(gè)并不陌生的名詞:材料的電阻會(huì )因外加磁場(chǎng)而增加或減少,電阻的變化量稱(chēng)為磁阻(Magnetoresistance)。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現象稱(chēng)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(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。從一般磁阻開(kāi)始,磁阻發(fā)展經(jīng)歷了常磁阻(OMR),異向磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),隧穿磁阻(TMR)的過(guò)程。

 

也伴隨著(zhù)近年來(lái)磁阻效應的廣泛應用,磁阻器件在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫療器械、探礦等領(lǐng)域得到深度器重。然而比較可惜的是,無(wú)論國內國外,技術(shù)要求和表現相對更靠后的一代磁傳感器——霍爾傳感器一直都是廠(chǎng)家的青睞之選,而已經(jīng)得到技術(shù)成熟度催化的第四代磁傳感器——隧穿磁阻(TMR)卻鮮有問(wèn)津。

 

然而由于近一年來(lái)國內對于太陽(yáng)能光伏、公共充電樁領(lǐng)域的技術(shù)剛需,TMR逐步開(kāi)始嶄露頭角,行業(yè)對于TMR的角色和求知欲也與日俱增。今天就為大家好好介紹一番關(guān)于TMR技術(shù)的優(yōu)勢和應用方向。

 

TMR,磁傳感器的第四代先鋒

 

TMR(Tunnel Magneto Resistance),全稱(chēng)隧穿磁阻技術(shù),最早是用在硬盤(pán)中的磁性讀寫(xiě)功能上,享譽(yù)盛名的MRAM磁性隨機存取內存就是基于此。也正是因為其對磁場(chǎng)檢測的精度、準確度相當高,并且使用壽命和穩定性相比前幾代磁傳感技術(shù)都會(huì )更好,所以其元件,尤其是磁電阻效應傳感器,在近年來(lái)開(kāi)始受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛衍生和應用。

 

針對磁傳感器的發(fā)展歷程,無(wú)論是第一代的霍爾傳感器,還是之后的AMR傳感器、GMR傳感器,包括現在的TMR傳感器,本質(zhì)都是對磁場(chǎng),尤其是對電磁場(chǎng)的利用。而相比較之下,TMR傳感器的優(yōu)勢在于其遙遙領(lǐng)先的穩定性、靈敏度、小封裝以及低功耗等等,相比前幾代在性能上都有至少十多倍的提升。而這些特性參數上的突破,又給許多產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品的功能塑造上提供了更多樣的可能性。

從功能上看,TMR傳感器的應用主要分為三類(lèi):線(xiàn)性位置測量、角度測量和電流測量。這三類(lèi)TMR傳感器的應用基本覆蓋和滿(mǎn)足了當前國內所有工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、家用電器、商標識別、衛星定位、導航系統以及精密測量技術(shù)等等方面的應用。接下來(lái)我們就具體來(lái)看下。

 

TMR在線(xiàn)性位置上的應用價(jià)值和方向

 

TMR傳感器在線(xiàn)性位置測量上最大的應用莫過(guò)于在液位計上的使用了。例如在汽車(chē)油箱存量上的檢測,就可以利用TMR傳感器。其原理是利用磁傳感器之間的磁場(chǎng)讀寫(xiě)功能,當油箱液位下降到下一個(gè)傳感器的位置時(shí)候,磁場(chǎng)讀寫(xiě)輸出信號為1,其他為0,同時(shí)利用TMR傳感器在反應靈敏度和精確度的優(yōu)勢,就可以第一時(shí)間反饋出當前油箱的即時(shí)存量。

 

而在這個(gè)基礎上,如果要獲得更精細的測量液體下降的高度,得到更精準的刻度,一種方法是通過(guò)增加傳感器數量,縮小傳感器之間的距離來(lái)達成,另一種方法則更為先進(jìn),設定之后的傳感器是一個(gè)位置滑動(dòng)性組件,那就可以讓磁場(chǎng)信號讀寫(xiě)在一個(gè)限定區間里進(jìn)行,這樣不僅可以大量減少成本,同時(shí)也可以達到精細化刻度的目標。

 

 

另一個(gè)比較普及的線(xiàn)性位置應用,其實(shí)來(lái)自于我們日常接觸到的游戲手柄。其實(shí)一些高端手柄,如XBOX手柄的扳機鍵已經(jīng)運用到了霍爾傳感器,但其實(shí)搖桿的設定也會(huì )適合磁傳感器發(fā)揮功能。相比較運用電位器的機械式結構。磁傳感器的游戲手柄的優(yōu)勢是非常明顯的。一方面毫無(wú)疑問(wèn)是對于靈敏度的應需,另一方面在于技術(shù)成本的減小。這里的成本指的是整體的制造成本,盡管磁傳感器的獨立成本一定會(huì )高于電位器,但是機械結構勢必意味著(zhù)從封裝和線(xiàn)路排列,會(huì )損耗更多的投入,但是磁傳感器的應用和植入其實(shí)蠻“傻瓜”的,就可以綜合性地縮減成本開(kāi)支。

 

TMR在角度測量上的應用價(jià)值和方向

 

而在家庭電器方面,尤其在高端家庭電器領(lǐng)域,TMR傳感器在角度測量方面的應用扮演起了主要的角色。家庭電器傳統按鈕從最原始的固定式旋鈕變成了固定按鈕式,然后又把按鈕做進(jìn)了面板內,這樣一方面縮小電器的不規則體積,方面收納和清洗,另一方面滿(mǎn)足了高定產(chǎn)品的高級感。但缺點(diǎn)也立竿見(jiàn)影,從旋鈕到按鈕的更迭,從應用上看,某種程度上是犧牲了更精細化功率輸出能力的。因此,TMR技術(shù)得到了用武之地。利用磁阻效應,我們可以把旋鈕設為非固定式,甚至是非接觸式外置配件,這樣就同時(shí)兼顧到更精準的功率控制和輸出能力,也滿(mǎn)足電器方便收納和清洗的使用需求。另一方面,從產(chǎn)品生態(tài)發(fā)展的趨勢來(lái)看,這種應用也是符合智能家居生態(tài)進(jìn)化論的,同樣的旋鈕外置配件,是可以用來(lái)同時(shí)控制灶具、冰箱、洗衣機、空調、電燈等所有開(kāi)關(guān)組件的功率調整和開(kāi)閉合狀態(tài)的,這種生態(tài)化的統合控制相比目前市面上比較多的智能系統的語(yǔ)音控制也會(huì )更精確和自主。

 

角度測量的原理本質(zhì)是利用磁場(chǎng)變量和三角函數,去測量偏轉角度,然后把再用偏轉角度去控制家電的輸出功率上。

 

 

 

TMR在電流測量上的應用價(jià)值和方向

 

電流測量,可能是TMR傳感器最大的應用方向了。一般來(lái)說(shuō),普通器件測量電流的原理比較簡(jiǎn)單,在流通環(huán)節上,去安置電阻,然后測量通過(guò)電阻的電流。但是缺點(diǎn)也很大。一個(gè)是對于大電流的測量,就必須串聯(lián)或者使用大電阻,一方面加大了成本,同時(shí)也不得不組裝成大體積結構;另一方面則是在超低電流的檢測方面,因為移動(dòng)智能設備的發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)和生物技術(shù)的擴展衍生,器件工作電流突破安培級和毫安級,可能會(huì )低至微安級,甚至更低,因此用傳統控制電阻方法測電流就會(huì )意味著(zhù)需要非常復雜的設備進(jìn)行搭配測量,簡(jiǎn)單地原理,但是非常復雜的工藝。而磁傳感器就完全不會(huì )有這些問(wèn)題。即時(shí)是第一代霍爾傳感器,都可以巧妙運用聚磁環(huán)結構來(lái)放大磁場(chǎng),而且體積重量相比電阻測量都會(huì )降低不只一個(gè)維度。那作為第四代的TMR傳感器又表現如何呢?霍爾傳感器的缺陷是功耗大,線(xiàn)性度差,而且聚磁環(huán)結構在磁傳感器領(lǐng)域里算是臃腫級的配置了。TMR傳感器檢測電流的原理是,通過(guò)檢測銅導線(xiàn)結構上所產(chǎn)生的電磁場(chǎng),再通過(guò)運算來(lái)得到電流大小。它在去掉了聚磁環(huán)結構的基礎上,比霍爾傳感器有更好的溫度穩定性、更高的靈敏度、更低的功耗,以及更好的線(xiàn)性度。這些優(yōu)勢也同樣存在于和AMR傳感器和GMR傳感器的比較優(yōu)勢里。

 

正因為這一特性,讓TMR傳感器在充電樁和光伏太陽(yáng)能板上有著(zhù)得無(wú)與倫比的優(yōu)勢。盡管我知道國內目前主要在公共充電樁領(lǐng)域運用的是霍爾傳感器去檢測電流,但這并不影響TMR傳感器是更好的選擇。因為相對來(lái)說(shuō),霍爾傳感器成本和封裝工藝難度會(huì )比TMR更便宜和簡(jiǎn)單這是事實(shí),但是從效果出發(fā),霍爾傳感器響應時(shí)間慢、體積大、收到外部溫度影響導致的報錯率高,這也是無(wú)法推諉的事實(shí)。而從充電樁的發(fā)展趨勢來(lái)看,未來(lái)交流電電樁和交直流一體電樁的普及度會(huì )是大趨勢,同時(shí)單樁1拖2,1拖4的樁體結構勢必要求城市內總樁數的電功率損耗有個(gè)精確計算,從這個(gè)方面想,霍爾傳感器就會(huì )逐步顯示和放大自身的性能缺陷。

 

說(shuō)完了TMR,我們再來(lái)說(shuō)說(shuō)國內目前具有TMR領(lǐng)先技術(shù)的公司,其實(shí)國內做霍爾的會(huì )比較多,因為市場(chǎng)普及度高和成本低的關(guān)系,霍爾的應用市場(chǎng)需求會(huì )比較大,相對地技術(shù)發(fā)展就會(huì )比較得到青睞。TMR此類(lèi)算是新型科技元件和技術(shù),在有條件有技術(shù)的公司里就會(huì )顯得鳳毛麟角一些。目前具有該項產(chǎn)品技術(shù)的公司里,比較大的,如TDK,Murata村田,還有一些小型的科技公司,如多維等等。但技術(shù)的前沿性給了國內該項技術(shù)的公司不小的壁壘性,隨著(zhù)本土TMR玩家的增加,可以預見(jiàn)距離最新的磁傳感器應用普及越來(lái)越近了。