【技术】浅析磁传感器HALL、AMR、GMR、TMR技术

磁传感器广泛用于现代工业、汽车和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、角度、速度等物理参数。在现有技术中，磁传感器包含霍尔（Hall）元件、各向异性磁电阻AMR（Anisotropic Magneto resistance， AMR）元件、巨磁电阻GMR（Giant Magneto resistance， GMR）元件及隧道磁电阻TMR（Tunnel Magneto Resistance）。

折叠巨磁阻

所谓巨磁阻效应，是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。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

超巨磁阻(ColossalMagnetoresistance,CMR)

超巨磁阻效应(也称庞磁阻效应)存在于具有钙钛矿(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同，而且往往大上许多，所以被称为"超巨磁阻"。如同巨磁阻效应(GMR)，超巨磁阻材料亦被认为可应用于高容量磁性储存装置的读写头。不过，由于其相变温度较低，不像巨磁阻材料可在室温下展现其特性，因此离实际应用尚需一些努力。

异向磁阻AMR(Anisotropicmagnetoresistance,AMR)

有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关。由于异向磁阻的特性，可用来精确测量磁场。

穿隧磁阻TMR效应(Tunnel Magnetoresistance,TMR)

穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-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。此效应首先于1975年由MichelJulliere在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现;室温穿隧磁阻效应则于1995年，由TerunobuMiyazaki与Moodera分别发现。此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。

Hall元件是集成hall效益片的磁性敏感元件。有平面hall，也有垂直hall。以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件的功耗偏大，是mA级别的。

AMR元件其灵敏度（sensitivity）比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄，容易磁饱和，同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置Set/Reset线圈对其进行预设/复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。

巨磁电阻GMR元件与AMR元件的结构不同，它由中间带隔离层的两层铁磁体组成。GMR相对于AMR有更好的灵敏度，且磁场工作范围更宽。

TMR（Tunnel Magneto Resistance）元件是近年来新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。我们通常也用磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）来代指TMR元件，MTJ元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。

下表是hall元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对比。

Hall元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件技术，这四种技术原理上不同，各自都有自身的优势。HALL效益元件，主要有开关型hall、线性hall、三轴hall，主要应用于BLDC电机位置检测、速度传感器、位置检测、电流传感器、角度传感器、磁编码器、位置传感器等。丰林电子代理的Allegro产品线，覆盖上述所hall器件和GMR 器件。 AMR、GMR与TMR主要应用于角度传感器，磁编码器，TMR技术性能比GMR有优势，TMA应工艺原因，价格稍高一点

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