TMR技术的发展及其应用技术的介绍
目录
概述
1 TMR传感器介绍
1.1 原理介绍
1.2 技术演进历史
2 TMR技术的应用
2.1 电阻特性
2.2 技术比较
2.3 磁道特性
3 多维科技的芯片（TMR1202）
3.1 芯片介绍
3.2 特性
3.3 典型应用
参考文献
概述
本文主要介绍TMR技术的发展及其技术的特征，文中还介绍了整个磁阻技术的演进历史以及其各个技术阶段其功能的实现原理，还介绍一款使用TMR技术的传感器芯片，及其技术参数等内容。
1 TMR传感器介绍
1.1 原理介绍
TMR传感器是一种基于磁电传感原理的传感器，其全称为磁阻调制传感器（Tunnel Magneto-Resistance Sensor）。它利用由两个磁电阻层夹着的隧道结构，当外加磁场改变时，隧道电阻发生变化，进而测量出磁场的强弱。TMR传感器具有高灵敏度、低功耗、快速响应等特点，被广泛应用于磁传感、磁存储、磁随机存取存储器等领域。
1.2 技术演进历史
自上世纪80年代以后，磁阻效应的技术发展经历了如下3个阶段：
1）AMR(各向异性磁阻效应）：Anisotropic magnetoresistance effect
AMR（Anisotropic Magnetoresistance）或称为各向异性磁阻效应，是一种磁性材料的物理效应。当磁性材料受到外加磁场时，其电阻会发生变化，这种变化被称为磁阻效应。而各向异性磁阻效应是指材料在不同的取向下，其电阻发生的变化大小不同。
一般情况下，材料的电流流向与磁场方向垂直时，电阻最大，称为纵向磁阻；而电流流向与磁场方向平行时，电阻最小，称为横向磁阻。各向异性磁阻效应是指材料在不同的取向下，纵向磁阻变化的幅度比横向磁阻变化的幅度大或小。
各向异性磁阻效应的原理是基于电子自旋的定向性，当磁场方向与电流方向垂直时，自旋指向的方向发生改变，电子在材料中的散射受到影响，电阻增大；而当磁场方向与电流方向平行时，自旋指向的方向不发生改变，电子的散射受到较小的影响，电阻减小。
各向异性磁阻效应在磁存储器、磁传感器和磁电阻随机存储器等领域具有重要的应用价值。通过利用各向异性磁阻效应，可以实现高灵敏度的磁场传感器和高密度的磁存储器。
2）GMR(巨磁阻效应）：Giant magnetoresistance effect
GMR（Giant Magneto-Resistance）巨磁阻效应是一种磁阻效应的特殊形式，即在外加磁场的作用下，电流通过磁性材料中的电导路径时，材料的电阻发生变化。GMR效应最早由费尔巴赫（Fert）和格鲁津格（Grünberg）在1988年独立发现，并因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。
GMR效应的基本原理是在磁性多层薄膜中，通过控制磁性层之间的耦合，可以实现电流通过时的电阻变化。这是由于磁性层之间存在磁性耦合效应，当自旋方向一致时，电子在两层之间容易传输，电阻较低；而当自旋方向相反时，传输困难，电阻较高。因此，通过外加磁场控制磁性层的自旋方向，可以实现电阻的可控变化。
GMR效应在磁存储器和磁传感器等领域有着广泛的应用。在磁存储器中，GMR效应可以实现更高的磁读写密度和更快的读写速度，使得磁存储器具有更高的存储容量和更好的性能。在磁传感器中，GMR效应可以实现更高的灵敏度和更低的功耗，使得磁传感器具有更好的性能和更广泛的应用范围。
总之，GMR巨磁阻效应是一种在外加磁场作用下，通过控制磁性材料中电导路径的磁阻变化效应，具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。
3）TMR(穿隧磁阻效应）：Tunnel magnetoresistance effect
TMR（Tunnel Magnetoresistance）是一种磁阻效应，它是指当电流通过具有薄的绝缘层隔离的两个磁性层时，由于隧道效应的存在，电阻值会发生变化。TMR可用于构建磁阻传感器和磁存储器等器件。
在TMR效应中，两个磁性层之间的绝缘层非常薄，并且磁性层之间具有相对的磁矩方向。当磁矩方向平行时，电子可以通过绝缘层的隧道现象，导电性强，电阻较低。而当磁矩方向垂直时，电子的隧道现象被阻碍，导电性弱，电阻较高。因此，通过测量电阻值的变化，可以确定两个磁性层之间的磁矩方向。
TMR效应具有高灵敏度、低功耗和快速响应的优点，使其成为磁存储器领域的重要技术。它被广泛应用于硬盘驱动器、磁随机存储器（MRAM）和磁传感器等设备中。
TMR技术不断发展，在磁存储器领域取得了重要突破。例如，磁传感器利用TMR效应可以实现更高的灵敏度和更低的功耗，用于测量和检测磁场。此外，基于TMR效应的磁性随机存储器可以实现非易失性存储和快速读写操作，有望替代传统的存储器技术。
总的来说，TMR效应是一种基于隧道现象的磁阻效应，具有广泛的应用前景。通过利用磁性层之间的磁矩方向变化，可以实现高灵敏度的磁存储器和磁传感器等设备。
2 TMR技术的应用
2.1 电阻特性
TMR元件的磁性结构与GMR元件基本相同，但GMR元件的电流平行于膜面流过，而TMR元件的电流垂直于膜面流过。依靠先进的薄膜过程技术制造的TMR元件是一种薄膜元件，具有2层强磁性体层（自由层/固定层）夹住1～2nm的薄绝缘体的势垒层的结构。固定层的磁化方向被固定，但自由层的磁化方向根据外部磁场方向而变，元件的电阻也随之而变。当固定层与自由层的磁化方向平行时，电阻最小，势垒层流过大电流。另外，当磁化方向为反向平行时，电阻极端地变大，势垒层几乎没有电流流过。
2.2 技术比较
元件电阻的变化比例用MR比这一数值表示。
AMR元件、GMR元件的MR比分别为3%、12%左右，而TMR元件甚至达到100%。在用2层强磁性体夹持非磁性体的金属层(Cu等)的GMR元件上，电子的移动表现出金属的导电现象。
电子特性：
1) TMR元件上，电子的移动是量子力学的隧道效应。具有可以说电子"根本不能移动"的极端特性
2）GMR元件具有电子"难以移动"的特性
图表示用AMR元件、GRM元件、TMR元件制成的磁性传感器的特性对比（施加电压5V时）。
2.3 磁道特性
在TMR传感器上使磁铁旋转，自由层的磁化方向追随磁铁的磁场方向，元件的电阻连续变化。由于电阻值与固定层和自由层的磁化方向的相对角成正比，可当作角度传感器利用：
3 多维科技的芯片（TMR1202）
3.1 芯片介绍
TMR1202是一款集成了隧道磁阻（TMR） 传感器和CMOS技术，为高灵敏度、高速、低功耗、高精度应用而开发的双极磁开关。TMR1202采用TMR磁传感器和CMOS集成电路，包括电压发生器、比较器、施密特触发器和CMOS输出电路，能将变化的磁场信号转化为数字电压信号输出。 TMR1202通过内部电压稳压器来提供温度补偿电源，并允许宽的工作电压范围。 TMR1202以低电压工作、 1微安级的供电电流、高响应频率、宽的工作温度范围、优越的抗外磁干扰特性成为众多低功耗、高性能应用的理想选择。TMR1202采用两种封装形式： SOT23-3封装形式和TO-92S，所对应的产品型号分别为TMR1202S和TMR1202T。
3.2 特性
1）产品特性
隧道磁电阻（TMR） 技术
超低功耗（1.5μ A）
1kHz 高频率响应
双极锁存型开关
高灵敏度，低开关点
宽工作电压范围
卓越的温度稳定性
优越的抗外磁场性能
2） 实现原理框图
3）管脚定义
4）极限参数
5）性能参数(TA=25℃)
6） 磁特性(VCC=3.0V,TA=25℃)
7）电压和温度特性
8） 输出和磁场关系
3.3 典型应用
TMR传感器敏感方向的磁场强度超过工作点门限BOP时，TMR1202输出低电平。当TMR传感器敏感方向的磁场强度低于释放点BRP时， TMR1202输出高电平。工作点BOP和释放点BRP的差值就是传感器的回差BH。为了降低外部噪音，推荐在传感器电源和地之间增加一个滤波电容（靠近传感器）。如应用电路图所示，典型值为0.1µF。
参考文献
1）TDK公司网站
https://product.tdk.com.cn/zh/techlibrary/productoverview/tmr-angle-sensors.html2）多维科技的TMR1202产品规格书