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MEMS 磁传感器
1.MEMS磁传感器的发展和比较
随着磁场测量应用的范围日益拓宽，测量所需磁传感器的性能要求也不断提高，不同种类的磁传感器应运而生，磁传感器也由此经历了四代的发展，技术愈发成熟。按照磁传感器被广泛应用的时间及其性能将磁传感器技术的发展划分为四代技术，分别是： Hall（霍尔效应传感器）；AMR（各向异性磁电阻）传感器；GMR（巨磁阻）传感器；TMR（隧穿磁电阻）传感器，如图1所示。后三代均基于磁阻原理，利用多层膜材料组成磁电阻。磁阻效应是指一些特殊材料的阻抗值随外界磁场的增大而减小的现象，后面的电路再将电阻变化的信号，转成电压变化的信号。同霍尔效应类似，磁阻效应也是由于自由电子在磁场环境下被洛仑磁力推动而产生的。
图1 四代MEMS磁传感器发展过程
通过对比表1和图2可知，TMR磁传感器作为最新出现的第四代磁传感器，在微弱磁场探测方面具有前三代无法比拟的优良性能。TMR磁传感器是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，作为一种非接触式传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、开关、角度、方向等物理参数。其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应。相较于霍尔传感器，TMR具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；与 AMR 器件对比，TMR拥有良好的稳定性，高灵敏度，更大的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；与 GMR 器件相比，其功耗低、尺寸小、灵敏度高、分辨率高以及更宽的线性范围。
表1 不同类型传感器性能对比
传感器芯片
HALL
AMR
GMR
TMR
灵敏度（mV/V/Gs）
0.05
1
3
20
工作范围（Gs）
1-1000
0.001-10
0.1-30
0.001-200
分辨率（mGs）
500
0.1
2
0.1
电阻变化率（%）
1
3
12
100
功耗（mA）
5-20
1-10
1-10
0.001-0.1
尺寸（mm^2）
1*1
1*1
1*1
0.5*0.5
温度特性（℃）
<150
<150
<150
<200>
图2 Hall、AMR、GMR、TMR磁传感器工作范围示意图
2.传感器工作原理
2.1 霍尔传感器
霍尔传感器是第一代磁传感器。但是由于霍尔传感器灵敏度低、易受温度变化影响且功耗大的缺点，限制其更好的应用和发展。霍尔效应如图3所示，在金属或半导体薄片中通过一控制电流I,并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生霍尔电动势。
图3 Hall磁传感器工作原理示意图
2.2 AMR传感器
AMR传感器作为第二代磁阻传感器，是目前应用比较广泛的磁阻传感器，已经大规模生产。AMR传感器具有可靠性好、抗干扰能力强、尺寸小便于安装等优点，适合地磁检测。但是传感器检测磁场动态较窄且精度不高。各向异性磁阻效应如图4所示，有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关，可用来精确测量磁场。
图4 AMR磁传感器工作原理示意图
2.3 GMR传感器
GMR传感器是第三代磁阻传感器，它拥有更高灵敏度和更广的测量范围。但是由于传感器的价格偏高、尺寸较大等缺点，其应用范围不是很广。巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种在铁磁性层与非铁磁性层交替叠置的结构中观测到的量子效应，产生于层状的磁性薄膜结构。如图5所示，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。
图5 GMR磁传感器工作原理示意图
2.4 TMR传感器
TMR磁传感器是最新第四代磁阻传感器，具有精度高、灵敏度高、功耗低、尺寸小、温度稳定性好、抗噪声效果好、工作温度范围宽、应用简单等优点。隧道磁阻效应如图6所示，在隧道结中由于两铁磁层的矫顽力不同，当饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行。当反向磁化时，两铁磁层的磁化方向变成反平行，这是矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转的缘故。可以通过改变外磁场的变化方式改变两铁磁层的磁化方向，以达到改变其阻值的目的。
图6 TMR磁传感器工作原理示意图
图7所示为TMR磁传感器采用的内部电桥结构示意图，电桥主要由四个非屏蔽、高灵敏度 MTJ（磁隧道结） 传感器元件组成，同时其具备较高的灵敏度、耗电少、抗噪声效果和线性度好等特性。当外磁场方向与磁传感器敏感方向相同时，磁传感器会进行差分电压输出，能够很好的弥补温度环境对传感器的影响；而且其高灵敏度使得输出电压具备优良的稳定可靠性、较高的信噪比和共模抑制比，同时具有极低的本底噪声，可以对微弱磁场进行高精度测量，降低了整个产品的体积以及开发成本。
图7 TMR磁传感器内部电桥结构示意
MEMS 磁传感器
1.MEMS磁传感器的发展和比较
随着磁场测量应用的范围日益拓宽，测量所需磁传感器的性能要求也不断提高，不同种类的磁传感器应运而生，磁传感器也由此经历了四代的发展，技术愈发成熟。按照磁传感器被广泛应用的时间及其性能将磁传感器技术的发展划分为四代技术，分别是： Hall（霍尔效应传感器）；AMR（各向异性磁电阻）传感器；GMR（巨磁阻）传感器；TMR（隧穿磁电阻）传感器，如图1所示。后三代均基于磁阻原理，利用多层膜材料组成磁电阻。磁阻效应是指一些特殊材料的阻抗值随外界磁场的增大而减小的现象，后面的电路再将电阻变化的信号，转成电压变化的信号。同霍尔效应类似，磁阻效应也是由于自由电子在磁场环境下被洛仑磁力推动而产生的。
图1 四代MEMS磁传感器发展过程
通过对比表1和图2可知，TMR磁传感器作为最新出现的第四代磁传感器，在微弱磁场探测方面具有前三代无法比拟的优良性能。TMR磁传感器是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，作为一种非接触式传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、开关、角度、方向等物理参数。其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应。相较于霍尔传感器，TMR具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；与 AMR 器件对比，TMR拥有良好的稳定性，高灵敏度，更大的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；与 GMR 器件相比，其功耗低、尺寸小、灵敏度高、分辨率高以及更宽的线性范围。
表1 不同类型传感器性能对比
| 传感器芯片 | HALL | AMR | GMR | TMR |
|---|---|---|---|---|
| 灵敏度（mV/V/Gs） | 0.05 | 1 | 3 | 20 |
| 工作范围（Gs） | 1-1000 | 0.001-10 | 0.1-30 | 0.001-200 |
| 分辨率（mGs） | 500 | 0.1 | 2 | 0.1 |
| 电阻变化率（%） | 1 | 3 | 12 | 100 |
| 功耗（mA） | 5-20 | 1-10 | 1-10 | 0.001-0.1 |
| 尺寸（mm^2） | 1*1 | 1*1 | 1*1 | 0.5*0.5 |
| 温度特性（℃） | <150 | <150 | <150 | <200> |
图2 Hall、AMR、GMR、TMR磁传感器工作范围示意图
2.传感器工作原理
2.1 霍尔传感器
霍尔传感器是第一代磁传感器。但是由于霍尔传感器灵敏度低、易受温度变化影响且功耗大的缺点，限制其更好的应用和发展。霍尔效应如图3所示，在金属或半导体薄片中通过一控制电流I,并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生霍尔电动势。
图3 Hall磁传感器工作原理示意图
2.2 AMR传感器
AMR传感器作为第二代磁阻传感器，是目前应用比较广泛的磁阻传感器，已经大规模生产。AMR传感器具有可靠性好、抗干扰能力强、尺寸小便于安装等优点，适合地磁检测。但是传感器检测磁场动态较窄且精度不高。各向异性磁阻效应如图4所示，有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关，可用来精确测量磁场。
图4 AMR磁传感器工作原理示意图
2.3 GMR传感器
GMR传感器是第三代磁阻传感器，它拥有更高灵敏度和更广的测量范围。但是由于传感器的价格偏高、尺寸较大等缺点，其应用范围不是很广。巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种在铁磁性层与非铁磁性层交替叠置的结构中观测到的量子效应，产生于层状的磁性薄膜结构。如图5所示，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。
图5 GMR磁传感器工作原理示意图
2.4 TMR传感器
TMR磁传感器是最新第四代磁阻传感器，具有精度高、灵敏度高、功耗低、尺寸小、温度稳定性好、抗噪声效果好、工作温度范围宽、应用简单等优点。隧道磁阻效应如图6所示，在隧道结中由于两铁磁层的矫顽力不同，当饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行。当反向磁化时，两铁磁层的磁化方向变成反平行，这是矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转的缘故。可以通过改变外磁场的变化方式改变两铁磁层的磁化方向，以达到改变其阻值的目的。
图6 TMR磁传感器工作原理示意图
图7所示为TMR磁传感器采用的内部电桥结构示意图，电桥主要由四个非屏蔽、高灵敏度 MTJ（磁隧道结） 传感器元件组成，同时其具备较高的灵敏度、耗电少、抗噪声效果和线性度好等特性。当外磁场方向与磁传感器敏感方向相同时，磁传感器会进行差分电压输出，能够很好的弥补温度环境对传感器的影响；而且其高灵敏度使得输出电压具备优良的稳定可靠性、较高的信噪比和共模抑制比，同时具有极低的本底噪声，可以对微弱磁场进行高精度测量，降低了整个产品的体积以及开发成本。
图7 TMR磁传感器内部电桥结构示意