深度解读磁传感器

平行磁场和反平行磁场作用下的等效电路图

GMR磁阻传感器商业化时间晚于霍尔传感器和AMR磁阻传感器，制造工艺相对复杂，生产成本也较高。但其具有灵敏度高、能探测到弱磁场且信号好，温度对器件性能影响小等优点，因此市场占有率呈稳定状态。GMR磁阻传感器在消费电子、工业、国防军事及医疗生物方面均有所涉及。

隧道磁阻（TMR）传感器
早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中观察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效应。但是，这一发现当时并没有引起人们的重视。在此后的十几年里，有关TMR效应的研究进展十分缓慢。在GMR效应的深入研究下，同为磁电子学的TMR效应才开始得到重视。2000年，MgO作为隧道绝缘层的发现为TMR磁阻传感器的发展契机。

2001年，Butler和Mathon各自做出理论预测：以铁为铁磁体和MgO作为绝缘体，隧道磁电阻率变化可以达到百分之几千。同年，Bowen等首次用实验证明了磁性隧道结（Fe/MgO/FeCo）的TMR效应。2008年，日本东北大学的S. Ikeda, H. Ohno团队实验发现磁性隧道结CoFeB/MgO/CoFeB的电阻率变化在室温下达到604%，在4.2K温度下将超过1100%。TMR效应具有如此大的电阻率变化，因此业界越来越重视TMR效应的研究和商业产品开发。

TMR元件在近年才开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用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，相对于霍尔元件不需要额外的聚磁环结构，相对于AMR元件不需要额外的set/reset线圈结构。

TMR磁阻传感器的材料结构及原理
从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；

当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。

可以看出，隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当磁化方向发生变化时，隧穿电阻发生变化，因此称为隧道磁电阻效应。

TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

TMR元件在近年才开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用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，相对于霍尔元件不需要额外的聚磁环结构，相对于AMR元件不需要额外的set/reset线圈结构。

下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对比，可以更清楚直观的看到各种技术的优劣。

霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技术参数对比

作为GMR元件的下一代技术，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被广泛应用于硬盘磁头领域。相信TMR磁传感技术将在工业、生物传感、磁性随机存储（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等领域有极大的发展与贡献。

磁传感器的发展,在本世纪70～80 年代形成高潮。90 年代是已发展起来的这些磁传感器的成熟和完善的时期。

磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支。在传统产业应用和改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面，它们发挥着愈来愈重要的作用。