Спрос на магнитные датчики продолжает расти в широком спектре применений — от автомобильной электроники до промышленного оборудования и бытовой электроники. Например, датчики туннельного магнитосопротивления (TMR), могут использоваться в рулевых колонках автомобилей для повышения точности автономной парковки. Таким образом, эти достижения приближают автомобильную промышленность к необходимой мгновенной обработке сигналов и реакциям для полностью автономного вождения.
Благодаря этим новым приложениям различные электротехнические компании разработали датчики TMR, которые используют новый магнитный датчик в качестве основного принципа работы. Новая технология измерительных элементов часто использует технологии, созданные при изготовлении жестких дисков (HDD), но с дополнительными усовершенствованиями.
Массовое изготовление датчиков TMR началось с 2014 года. Технология TMR достигла высочайшей производительности – примерно в 20 раз выше, чем обычные датчики анизотропного магнитосопротивления (AMR), и почти в шесть раз выше, чем датчики гигантского магнитосопротивления (GMR), последние из которых содержат, по меньшей мере, два магнитных слоя, разделенных немагнитным слоем. Измерительные элементы TMR также обладают такими преимуществами, как высокая точность, лучшую стабильность при меньшем температурном дрейфе и меньший износ. Они также хорошо работают при измерении углов, положения и поворотах.
Существенно улучшенное выходное напряжение
Элемент TMR, изготовленный с использованием передовой технологии тонкой пленки, представляет собой тонкопленочный элемент, в котором барьерный слой изолятора зажат между двумя слоями ферромагнитного вещества (свободный слой и контактный слой). Вектор намагниченности контактного слоя фиксирован, а вектор намагниченности свободного слоя изменяется в соответствии с направлением внешнего магнитного поля. Электрическое сопротивление элемента TMR изменяется вместе с изменением свободного слоя.
Когда векторы намагниченности контактного слоя и свободного слоя совпадают, сопротивление минимально и в барьерном слое протекает большой ток. В противоположном случае, когда векторы намагниченности слоев противоположны, сопротивление становится чрезвычайно высоким и ток в барьерном слое практически не течет (рисунок ниже):
Скорость изменения сопротивления в элементе обозначается значением, называемым коэффициентом магнитосопротивления (MR). Значения отношения магнитосопротивления для AMR и GMR элементов составляют 3% и 12% соответственно, тогда как отношение магнитосопротивления для датчика TMR составляет 100% (рисунок ниже). Эта более высокая характеристика отношения магнитосопротивления дает более высокую чувствительность и разрешение по сравнению с существующими конкурирующими технологиями.
Состав сенсорных технологий GMR немного отличается. Как правило, эти датчики используются для интерпретации и хранения данных на жестких дисках, биосенсорах и микроэлектромеханических системах (MEMS). Датчики GMR также используются в автомобильных электрооборудованиях. Движение электронов в элементе GMR, в котором немагнитный металлический слой (медный слой) зажат между двумя слоями ферромагнитного вещества, вызван явлением электропроводности металлов.
Напротив, движение электронов в элементе TMR вызвано квантово-механическим явлением туннельного эффекта. Таким образом, когда векторы намагниченности контактного слоя и свободного слоя направлены в противоположные стороны, элемент TMR обладает характеристиками, которые препятствуют легкому движению электронов. С другой стороны, элемент TMR обладает идеальными резистивными характеристиками, которые практически не препятствуют прохождению электронов через барьерный слой. Поэтому коэффициент магнитного сопротивления элемента TMR чрезвычайно велик, и выход имеет различные характеристики, такие как «Да» или «Нет», или «1» или «0», без промежуточных состояний.
Следовательно, элемент TMR в настоящее время активно используется как высокочувствительный элемент «чтения» на жестких дисках. Когда элемент TMR, с его преимуществом высокочувствительных характеристик, используется в качестве магнитного датчика, он обеспечивает чрезвычайно высокую производительность — часто в шесть раз выше, чем у компонентов GMR.
Уменьшение температурного дрейфа и «старение»
Когда магнит вращается на датчике TMR, вектор намагниченности свободного слоя следует за направлением магнитного поля, а сопротивление элемента непрерывно изменяется. Поскольку значение сопротивления элемента туннельного магнитосопротивления пропорционально относительному углу направлений намагничивания контактного слоя и свободного слоя, датчик TMR можно использовать в качестве датчика угла поворота (рисунок ниже):
В другом примере датчик TMR можно использовать в качестве датчика угла поворота автомобиля или электродвигателя (EPS) вместо обычных датчиков Холла. Датчики TMR достигают более высоких выходных значений напряжений, чем элементы основанные на эффекте Холла, а также имеют более низкое энергопотребление, чем резольверы, что делает их оптимальным выбором для использования в автомобильном электрооборудования.
Выводы
Существует мнение, что прикладное программное обеспечение может скомпенсировать измерительный элемент с низкими характеристиками. Однако это не совсем так. Ведь датчик это своего рода преобразователь сигнала, объективность которого оказывает значительно влияние на работу всей системы автоматического регулирования.
Датчики TMR являются высокостабильными, эпохальными магнитными датчиками, которые обеспечивают высокую выходную мощность, точность и меньший дрейф температуры по сравнению с датчиками GMR. Многие инженеры, в том числе в TDK, планируют расширить свои группы продуктов TMR, включая позиционные и поворотные датчики, для множества приложений. Благодаря высокой чувствительности измерений, в сочетании с высокой точностью измерения выходного напряжения и угла поворота, измерительные устройства туннельного магнитосопротивления дают разработчикам значительно более высокую степень гибкости для их проектных решений.
