巨磁阻传感器原理及其应用
日期：2013-11-15
作者：何喜富，传感器系统应用工程师，英飞凌科技（中国）有限公司
目前磁性传感器在汽车领域应用中主要有霍尔效应，各项异性磁阻效应，巨磁阻效应以及穿遂磁阻效应。英飞凌是少数几个同时掌握磁性感应技术并应用于产品中的半导体公司之一。
磁性传感器广泛应用于现代汽车中，如速度检测，角度检测，位置检测，电流检测等。根据磁性感应原理，可分为霍尔原理及磁阻原理。其中磁阻式根据原理又可分为常磁阻效应（Ordinary Magneto Resistance, OMR）、各项异性磁阻效应（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance，GMR）、超巨磁阻效应（Colossal Magneto Resistance，CMR）、穿遂磁阻效应（Tunnel Magneto Resistance，TMR）、巨磁阻抗效应（Giant Magneto impedance，GMI）以及特异磁阻效应（Extraordinary Magneto Resistance，EMR）等。
目前磁性传感器在汽车领域应用中主要有霍尔效应，各项异性磁阻效应，巨磁阻效应以及穿遂磁阻效应。英飞凌是少数几个同时掌握有以上磁性感应技术并应用于产品中的半导体公司之一。
相比于霍尔效应和各项异性磁阻效应，巨磁阻效应具有更好的灵敏度,更小的噪声以及气隙表现,非常适合汽车领域中需要高精度以及较大工作气隙要求的应用。目前英飞凌巨磁阻系列传感器涵盖速度及角度应用，本文主要介绍巨磁阻传感器原理及其在速度检测和角度检测方面应用。
集成巨磁阻原理
所谓磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象，巨磁阻效应在1988年由彼得?格林贝格（Peter Grünberg）和艾尔伯?费尔（Albert Fert）分别独立发现，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。研究发现在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，这一现象称为“巨磁阻效应”。
巨磁阻效应可以用量子力学解释,每一个电子都能够自旋,电子的散射率取决于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，则电子散射率就低，穿过磁性层的电子就多，从而呈现低阻抗。反之当自旋方向和磁性材料磁化方向相反时，电子散射率高，因而穿过磁性层的电子较少，此时呈现高阻抗。
如图1所示，两侧蓝色层代表磁性材料薄膜层，中间橘色层代表非磁性材料薄膜层。绿色箭头代表磁性材料磁化方向，灰色箭头代表电子自旋方向，黑色箭头代表电子散射。左图表示两层磁性材料磁化方向相同，当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，因而呈现低阻抗。而右图表示两层磁性材料磁化方向相反，当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，因而呈现高阻抗。
图1:巨磁阻效应示意图
基于巨磁阻效应的传感器其感应材料主要有三层：即参考层（Reference Layer或Pinned Layer），普通层（Normal Layer）和自由层（Free Layer）。参考层具有固定磁化方向，其磁化方向不会受到外界磁场方向影响。普通层为非磁性材料薄膜层，将两层磁性材料薄膜层分隔开。自由层磁场方会随着外界平行磁场方向的改变而改变。
图2：巨磁阻磁性感应层结构
巨磁阻阻值由自由层和参考层之间磁场方向夹角决定，其电阻变化率如式2-1所示：
式2-1
GMR传感器应用
如上文所说,巨磁阻电阻值取决于自由层和参考层之间磁场方向夹角，自由层磁化方向会随着外界磁场方向改变而改变。巨磁阻传感器磁场工作区间如图3所示，当外界磁场强度超过|BK|时巨磁阻传感器工作在饱和区，此时自由层和参考层磁化方向平行，进一步增加外界磁场强度不会导致电阻值变化。当外界磁场强度范围在- BK
协议
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输出角度以及速度信息，并针对不同应用还可提供IIF，HSM，PWM，SPC等接口。
巨磁阻角度传感器需要工作在合适的磁场强度，以TLE5012B为例，工作在-40℃至150℃下外部磁场强度规定为30mT至50mT范围。外部磁场强度过小或者过大都会增加额外的角度误差。如图7所示，绿色代表外部磁场，蓝色代表自由层磁化方向，红色代表参考层磁化方向。当外部磁场强度太弱时，会导致自由层磁化方向不能够很好地对齐外部磁场方向。当外部磁场强度太强时，会影响到参考层磁化方向。外界磁场强度过强并不会造成芯片的损坏，只是会影响检测精度，当外界磁场强度恢复到规定范围内时，检测精度又能够恢复到正常范围。
图7：外部磁场强度对巨磁阻角度传感器影响
总结
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综上所述,英飞凌能够为汽车领域应用提供基于巨磁阻效应传感器，可用于速度检测和角度检测，其感应单元和信号处理单元被集成到一个芯片上，可提供更小体积以及优异性能。巨磁阻传感器具有体积小，灵敏度高，线性度好，温度范围高，耐恶劣环境，成本低等特点，将会越来越广泛地被用于各个领域。
浙公网安备 33021202002483