新型的工業(yè)級(jí)TMR角度傳感器

在 IoT 市場(chǎng)、工業(yè)設(shè)備以及消費(fèi)類方面的應(yīng)用中，常需要傳感器來感測(cè)角度，使設(shè)備能夠進(jìn)行精確的運(yùn)動(dòng)或是進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的判斷，其中一種新型的 TMR （Tunnel Magneto-resistance）傳感器便具有高靈敏度、低功耗、高線性度、低溫度依賴性等優(yōu)勢(shì)。本文將為您介紹TMR傳感器的特色，以及由Murata銷售的Crocus Technology TMR角度傳感器的產(chǎn)品特性。

磁阻效應(yīng)可應(yīng)用于存儲(chǔ)與傳感領(lǐng)域

TMR（隧道磁電阻）是指一種發(fā)生在磁性隧道結(jié)（MTJ）中的磁電阻效應(yīng)，是由兩個(gè)薄絕緣體及其隔開的鐵磁體所組成的組件，在絕緣層相當(dāng)?。ㄍǔ閹啄蚊祝┑那闆r下，電子可以從一個(gè)鐵磁體隧穿過去另一邊，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對(duì)方向變化。磁電阻效應(yīng)是磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存（MRAM）與硬盤中的磁性讀寫頭的科學(xué)基礎(chǔ)，也被應(yīng)用于傳感領(lǐng)域。

TMR磁傳感器是由一個(gè)由介電勢(shì)壘隔開的固定層和自由（傳感）層所組成，如果外部磁場(chǎng)發(fā)生變化，則傳感層的磁化強(qiáng)度會(huì)改變其大小和方向，這會(huì)導(dǎo)致MTJ電阻發(fā)生變化。但是，TMR角度傳感器和TMR線性磁傳感器之間存在一個(gè)重要區(qū)別，TMR磁傳感器通常工作在TMR特性的線性范圍內(nèi)，而角度傳感器則處于飽和區(qū)。換言之，傳感層的磁化強(qiáng)度始終處于最大可能的幅度，并隨著外部磁場(chǎng)角的變化而改變其方向矢量，這種方法的明顯限制是角度傳感器不能在低磁場(chǎng)下工作，典型角度傳感器的工作磁場(chǎng)范圍在25 mT和90 mT之間。

通過傳感電阻的變化來檢測(cè)角度

TMR效應(yīng)的表現(xiàn)為材料堆疊（包括鐵磁合金）的電阻變化，TMR堆棧的電阻與感應(yīng)層和固定層之間的角度直接相關(guān)，因此通過檢測(cè)電阻的變化，便可以進(jìn)行角度的檢測(cè)。TMR技術(shù)相較于其他技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)，像是可進(jìn)行全360°旋轉(zhuǎn)辨別，且只對(duì)角度敏感，對(duì)外場(chǎng)強(qiáng)度不敏感，且因?yàn)椴捎昧朔墙佑|式系統(tǒng)，因此不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，可以遠(yuǎn)離灰塵和污染，也不受到機(jī)械振動(dòng)的影響。

雖然基于TMR技術(shù)的傳感器相對(duì)較新，但它們已經(jīng)進(jìn)入了各種工業(yè)和汽車應(yīng)用，這些應(yīng)用都需要監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，像是電機(jī)軸和旋鈕的角度、速度和方向的位置傳感，都是角度傳感器的典型應(yīng)用。由于磁性測(cè)量原理、高靈敏度和低噪聲，TMR磁傳感器非常適合應(yīng)用于轉(zhuǎn)向角測(cè)量、無刷直流（BLDC）電機(jī)中電機(jī)通信的轉(zhuǎn)子位置測(cè)量，以及用于車輪速度測(cè)量的速度感應(yīng)（ABS傳感器）與帶有方向信息的曲軸速度和位置感應(yīng)。

適用于低功耗、高靈敏度和極端溫度的

高精度傳感器

由Crocus Technology所推出的磁傳感器產(chǎn)品是基于其創(chuàng)新的XtremeSense? TMR技術(shù)，通過其特有CMOS平版印刷技術(shù)完整集成單片工藝，可在較寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低噪聲，這些磁傳感器不僅具有高磁傳感性能，還具備高溫高可靠性，小尺寸、電流和熱隔離、高頻操作和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，提供出色的堅(jiān)固性和穩(wěn)定的性能，已經(jīng)成為IoT領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的理想檢測(cè)解決方案。

本文要重點(diǎn)介紹的Crocus TMR角度傳感器（2D傳感器）則是由八個(gè)對(duì)磁場(chǎng)敏感的TMR電阻器組成，每個(gè)電阻器由多個(gè)MTJ（TMR組件）構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)均勻磁場(chǎng)角度的精確測(cè)量。它優(yōu)異的功能特性使其非常適合許多不同的操作環(huán)境，以及對(duì)準(zhǔn)確性和快速響應(yīng)很重要的應(yīng)用，例如旋鈕、編碼器、電機(jī)／運(yùn)動(dòng)控制和許多其他應(yīng)用。

高性能的全橋式TMR角度傳感器

由Crocus Technology推出的CT310是一款利用Xtreme Sense?技術(shù)開發(fā)而成的全橋式角度傳感器，該角度傳感器的工作磁場(chǎng)范圍為25 mT至90 mT，可進(jìn)行0°至360°的非接觸式角度測(cè)量，在全工作溫度范圍內(nèi)的補(bǔ)償后角度誤差不高于0.30°。同時(shí)，它還可以在1.0 V到5.5 V的工作電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，并為正弦（SIN）和余弦（COS）軸提供差分輸出。

CT310傳感器采用雙全橋電阻排，為8引腳TSSOP封裝，可針對(duì)需要優(yōu)先考慮空間問題的應(yīng)用領(lǐng)域，此外還有尺寸為2.00 x 2.00 x 0.45毫米、小巧輕薄的8引腳DFN封裝可供使用。

與線性傳感器不同，CT310在飽和模式下運(yùn)行，因此外部磁場(chǎng)的影響對(duì)其性能的影響很小，有助于它在整個(gè)溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)出色的穩(wěn)定性，工業(yè)版可在-40℃至+85℃下工作，擴(kuò)展工業(yè)版則支持-40℃至+125℃，可廣泛應(yīng)用于角度測(cè)量、旋轉(zhuǎn)角度傳感器與無刷直流電機(jī)。

結(jié)語

Crocus Technology基于TMR技術(shù)的2D角度傳感器，是舊磁性2D傳感器的理想替代品，該解決方案因?yàn)楦逤MOS集成能力，可支持單片IC，具備最低功耗、低角度誤差和成本效益高等優(yōu)勢(shì)，將是工業(yè)、消費(fèi)類產(chǎn)品角度傳感應(yīng)用的理想選擇。