磁场传感器 - 隧道磁阻（TMR）

隧道磁阻（TMR）技术基于量子力学效应。在磁阻效应（MR）中，磁场变化会导致电阻变化。因此，可以根据磁场和电气变量之间的关系来对其进行测量。TMR 是 MR 技术的一种特殊形式，其中所谓的隧道效应可以确保一旦施加磁场，电阻就会发生更大的变化。因此，TMR 传感器具有灵敏度和准确度更高的优势。  

在 TMR 传感器中，一堆磁性材料在中间被电绝缘体（所谓的隧道屏障）隔开。自由层的磁性方向取决于外部磁场。固体层的方向保持不变。TMR 元件的电阻与自由层和固体层之间的相对角度成正比。

图 1：TMR 技术的功能原理

现代 TMR 传感器是由二十世纪九十年代初开发的 AMR（异向性磁敏电阻）技术和 GMR（巨磁阻）技术发展而来。基于这些技术的紧凑元件导致微型 MR 读取磁头（而非更大的机电磁头）在硬盘驱动器中得以采用，从而实现了更高的存储密度。随着利用类似于 CMOS 制造工艺的 TMR 技术的进一步发展，不同的层在硅芯片上沉积并图案化。因此，TMR 电阻元件经过串联连接，形成电阻元件。这些电阻器通常以四个为一组排列，作为惠斯通电桥电路。这种互连类型在汽车技术中产生常见的电信号，可以直接或通过下游电子设备（ASIC IC）进行评估。

元件电阻的变化率通过名为 MR 比率的值来表示。传统 AMR 元件和 GMR 元件的 MR 比率分别约为 3% 和 12%。相比之下，TMR 元件的 MR 比率为100%。在 GMR 元件中，非磁性金属（铜等）夹在两个铁磁层之间，电子转移则作为金属中的导电发生。另一方面，在 TMR 元件中，电子转移以量子力学隧道效应的形式发生。因此，当引脚层和自由层反向平行时，与电子“难以移动”的 GMR 的特征相比，TMR 元件具有电子“几乎根本无法移动”的极端特征。这导致 TMR 元件除了为其输出赋予独特的特征（例如“是或否”或“1或0”）之外，还表现出极大的 MR 比率。
此外，这也是当下 TMR 元件被用作硬盘中高灵敏度读取元件的原因。通过使用这些高灵敏度的 TMR 元件作为磁传感器，可以获得极大的输出。事实上，TDK TMR 传感器的输出高达 3,000 mV，是 AMR 传感器的 20 倍，是 GMR 传感器的 6 倍。图 3 是使用 AMR 元件、GMR 元件和 TMR 元件（当施加 5V 电压时）的磁传感器的特性比较。

图 2：使用 AMR 元件、GMR 元件和 TMR 元件的磁传感器的特性比较

TMS 传感器可以在宽温度范围下稳定工作。因此，它们越来越多地用作汽车零部件，而这对精度和可靠性具有极高的要求。它们还具有低功耗的特点，除汽车外，还用于多种产品，包括机器人和智能手机等消费品。

汽车应用场景的一个关键参数是传感器输出电压，可以直接从传统微控制器读取，因此可以去掉额外的放大器电路、电阻器和电容器。基于 TMR 的角度传感器、速度传感器和线性传感器，可用于实现动力转向系统、雨刷、离合和变速箱执行器、踏板和油门以及其他很多发动机和位置应用。TMR 传感器的简洁设计具有更加可靠等众多优势，能够实现更优质的功能安全性，以及在操作期间对传感器行为的出色监控。

TMR 传感器可以根据 ISO 标准 26262 进行使用，已达到汽车行业的最高安全级别（ASIL D 级）。因此，它们符合安装在电动动力转向和制动器等零部件中的安全标准。另一个重要特征在于可以通过 TMR 传感器实现极高的角度准确度。根据磁场强度，在车辆的使用寿命（17年）和允许的芯片温度范围（-40℃ 至 175℃）内，可实现高达约 0.2 度的角度精度。这种性能体现在效率和降噪方面，特别是对于电动无刷直流电机（BLDC）的控制。

图：2：TMR 传感器的汽车应用示例

当确定汽车应用中应使用哪种类型的传感器时，每种传感器的特殊性能应决定其用途。

CMOS 霍尔传感器具有经济实惠的单片霍尔元件和集成在单芯片上的收发机。这使其非常适合成本敏感的应用，或用于检测更强的磁场。

与基于其他技术（霍尔/AMR/GMR）的磁场传感器相比，TMR 传感器具有更好的信噪比和评分，以及前所未有的准确性和极低的功耗。TMR 传感器在温度和传感器寿命范围内可提供可靠稳定的性能。因此，TMR 传感器在要求非常严格的应用中是首选。

许多情况下，两种技术的结合也非常有益。例如，在电流传感器模块中，TMR 传感器可以测量弱电流，而霍尔传感器可以检测强电流。测量范围可以因此得到显着扩展，测量准确性也得以提高。使用两种技术的第二个应用是确定无刷电动机（BLDC）中的转子位置。在此情况下，高精度 TMR 传感器可以与冗余霍尔传感器组合，以将整体系统可靠性提高到 ASIL-D 级。此应用无需角度编码器。

无论是使用霍尔效应传感器，还是 TMR 传感器，还是两者兼用，与使用其他专用传感器相比，这两种传感器类型的技术均可降低汽车设计的总体材料消耗和成本。通过深入了解每种传感器类型的技术和应用，工程师能够做出更加明智的决策，从而实现更安全、更可靠的设计。

TDK 是世界上首个将汽车 TMR 传感器商业化的公司，于 2014 年开始供货。TDK 的 TMR 传感器面向广泛的应用场景，包括日益自动化和电气化的汽车、通常用于容易产生灰尘和污染的环境的工业设备以及必须紧凑且需要低功耗的消费品。

传感技术对提高汽车燃油效率做出了巨大贡献。在汽车发动机中，曲柄角传感器或凸轮角传感器可用于获取计算发动机电子控制单元（ECU）中燃油喷射的最佳时机和量的信息。

尽管存在各种类型的曲柄角或凸轮角传感器，但非接触式磁传感器因其不易磨损或产生灰尘而成为主流。由磁性材料制成的齿轮脉冲发生器（脉冲发生器转子）安装在曲柄轴或凸轮轴上，而由偏置磁铁施加的磁场则以非接触方式放置，以面向磁传感器。当发动机启动且齿轮脉冲发生器转动时，磁铁的磁通密度会由于齿轮齿的凸起和凹陷而交替变化。磁传感器将其提取作为脉冲信号，并根据单位时间的脉冲数检测旋转速度。出于这种机制，这些传感器也被称为轮齿传感器。

与使用霍尔元件的传感器相比，TDK TMR 传感器具有极高的灵敏度和高输出，作为 ABS（防抱死制动）系统的轮速传感器，能够实现卓越的传感能力。此外，它们还有望用作电流传感器，通过控制电池的充电和放电来节省能源。

近年来，汽车电子设备、工业设备和消费电子等领域对磁传感器的需求不断攀升。关于传感器的一种思维是，即使元件的特性稍微差一些，也可以通过它们的使用方式（软件）来覆盖。然而，传感器是一种变换器，仍需要良好的转换效率。此外，预计汽车传感器所需的检测精度将大约是传统传感器的两倍，以便实现更安全、更舒适的驾驶。TDK TMR 传感器是一种创新产品，具有高输出、高准确度、低温度漂移和低老化劣化等特性，可满足严格的市场要求。拥有这些特征令其能够轻松满足未来严格的准确性要求。

TDK 能够通过具备无与伦比的高角度精度的 TMR 传感器满足世界各地的高精度传感需求，并正在努力进一步扩展自身产品阵容，以支持多种应用。