特色各异的磁阻效应传感革新磁传感应用

原创李宁远电子发烧友网

2023年09月25日 23:01

电子发烧友网报道（文/李宁远）磁阻传感器在很多领域都有着重要作用，作为一类大家熟知的传感器类型它已经在日常生活、工业制造、汽车电子和航空航天等各个领域扮演了重要的角色。

利用磁阻效应实现传感

磁阻传感最基本的原理都基于最原始的磁阻效应，即在通有电流的导体上施加磁场，导体电阻值会发生明显的变化。虽然利用这一点的难度更大，但磁阻传感能提供精确、可靠的数据，而且无需与被测设备进行接触。

磁阻效应，最早发现于1857年，但磁阻传感的概念一直到1971年才开始被正式提出。相当长一段时间里，磁阻传感通常只用于要求不高的价格标签和标记阅读器及磁带应用中。上世纪90年代，IBM将磁阻效应应用在硬盘上。随着技术的不断发展与探索，现在的磁阻传感已经成为高精度高可靠性的传感品类。

目前，磁阻传感分为各向异性磁阻传感AMR、巨磁阻传感GMR以及隧道磁阻传感TMR，三者使用的磁性材料的微观机制不同，被施加磁场时会展现出不同的磁阻效应。

特色各异的磁阻效应

各向异性磁阻效应材料的磁阻变化与磁场和电流间夹角有关，该效应中电阻与磁场的变化是非线性的，而且每一个电阻与唯一的外加磁场值并不成唯一的对应关系。在角度合适的时候，各向异性磁阻传感AMR能够非常敏感，并且特性曲线逼近线性，这样的时候它能够实现输出的线性特征。

各向异性磁阻传感一般都采用桥式构造，磁电阻比（ΔR/Rmin）和灵敏度虽然不高（磁电阻比3%，灵敏度0.05），但它是一项性价比非常高的传感。该技术只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低，在价格上相比其他两项技术有很明显的优势。同时在低成本下，各向异性磁阻传感具有高频、低噪和高信噪比特性，在目前各种场景的应用中都能很好地适配，不存在什么局限性。

巨磁阻效应的发现比各向异性磁阻效应晚了很多，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，即物质在磁场中电阻率变化的幅度非常大。这是一种量子力学效应，其磁阻各向同性，产生于层状的磁性薄膜结构中。

巨磁阻效应传感一般也采用桥式构造，功耗、响应时间、温漂等传感指标和各向异性磁阻传感没有太大差别，但是，它的磁电阻比大了很多，起码是各向异性磁阻传感的五倍甚至以上。所以尽管制造工艺相比各向异性磁阻传感复杂不少，成本也高不少，凭借高灵敏度、弱磁探测性好，市场规模也一直处于稳步提升中。

巨磁阻效应的发展，为隧道磁阻效应奠定了基础。隧道磁阻效应是指在铁磁—绝缘体薄膜—铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。这是难度极高的传感器技术，不论是其结构复杂度、成本还是工艺难度，都非常高。

与高技术门槛相匹配的是，该效应的传感器有着绝对碾压其他效应传感器的灵敏度和更明显的磁阻效应，隧道磁阻效应传感在灵敏度上的领先是数量级的，磁电阻比也在50%以上，甚至可以达到100%。在响应时间上，前两类传感器都在10ns标准上，而TMR的响应时间仅为0.1ns。

近年来随着材料、元器件以及电路技术的发展，这种高技术门槛高成本的技术应用也开始多了起来。

小结

作为下一代磁传感器技术，磁阻传感凭借性能优势，渗透率正日益提升。尤其是在目前几个火热的应用里，应用场景功能复杂度的提升和安全要求的提升，磁阻传感开始在高要求应用场景替代霍尔传感。

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