對(duì)于業(yè)內(nèi)人士來說,磁阻的概念可以說是一個(gè)并不陌生的名詞:材料的電阻會(huì)因外加磁場(chǎng)而增加或減少,電阻的變化量稱為磁阻(Magnetoresistance)。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。同霍爾效應(yīng)一樣,磁阻效應(yīng)也是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力而產(chǎn)生的。從一般磁阻開始,磁阻發(fā)展經(jīng)歷了常磁阻(OMR),異向磁阻(AMR),巨磁阻(GMR),隧穿磁阻(TMR)的過程。

也伴隨著近年來磁阻效應(yīng)的廣泛應(yīng)用,磁阻器件在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到深度器重。然而比較可惜的是,無論國(guó)內(nèi)國(guó)外,技術(shù)要求和表現(xiàn)相對(duì)更靠后的一代磁傳感器——霍爾傳感器一直都是廠家的青睞之選,而已經(jīng)得到技術(shù)成熟度催化的第四代磁傳感器——隧穿磁阻(TMR)卻鮮有問津。然而由于近一年來國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能光伏、公共充電樁領(lǐng)域的技術(shù)剛需,TMR逐步開始嶄露頭角,行業(yè)對(duì)于TMR的角色和求知欲也與日俱增。今天就為大家好好介紹一番關(guān)于TMR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用方向。

TMR,磁傳感器的第四代先鋒

TMR(Tunnel Magneto Resistance),全稱隧穿磁阻技術(shù),最早是用在硬盤中的磁性讀寫功能上,享譽(yù)盛名的MRAM磁性隨機(jī)存取內(nèi)存就是基于此。也正是因?yàn)槠鋵?duì)磁場(chǎng)檢測(cè)的精度、準(zhǔn)確度相當(dāng)高,并且使用壽命和穩(wěn)定性相比前幾代磁傳感技術(shù)都會(huì)更好,所以其元件,尤其是磁電阻效應(yīng)傳感器,在近年來開始受到工業(yè)領(lǐng)域的廣泛衍生和應(yīng)用。

針對(duì)磁傳感器的發(fā)展歷程,無論是第一代的霍爾傳感器,還是之后的AMR傳感器、GMR傳感器,包括現(xiàn)在的TMR傳感器,本質(zhì)都是對(duì)磁場(chǎng),尤其是對(duì)電磁場(chǎng)的利用。而相比較之下,TMR傳感器的優(yōu)勢(shì)在于其遙遙領(lǐng)先的穩(wěn)定性、靈敏度、小封裝以及低功耗等等,相比前幾代在性能上都有至少十多倍的提升。而這些特性參數(shù)上的突破,又給許多產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品的功能塑造上提供了更多樣的可能性。

從功能上看,TMR傳感器的應(yīng)用主要分為三類:線性位置測(cè)量、角度測(cè)量和電流測(cè)量。這三類TMR傳感器的應(yīng)用基本覆蓋和滿足了當(dāng)前國(guó)內(nèi)所有工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、家用電器、商標(biāo)識(shí)別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測(cè)量技術(shù)等等方面的應(yīng)用。接下來我們就具體來看下。

TMR在線性位置上的應(yīng)用價(jià)值和方向

TMR傳感器在線性位置測(cè)量上最大的應(yīng)用莫過于在液位計(jì)上的使用了。例如在汽車油箱存量上的檢測(cè),就可以利用TMR傳感器。其原理是利用磁傳感器之間的磁場(chǎng)讀寫功能,當(dāng)油箱液位下降到下一個(gè)傳感器的位置時(shí)候,磁場(chǎng)讀寫輸出信號(hào)為1,其他為0,同時(shí)利用TMR傳感器在反應(yīng)靈敏度和精確度的優(yōu)勢(shì),就可以第一時(shí)間反饋出當(dāng)前油箱的即時(shí)存量。

而在這個(gè)基礎(chǔ)上,如果要獲得更精細(xì)的測(cè)量液體下降的高度,得到更精準(zhǔn)的刻度,一種方法是通過增加傳感器數(shù)量,縮小傳感器之間的距離來達(dá)成,另一種方法則更為先進(jìn),設(shè)定之后的傳感器是一個(gè)位置滑動(dòng)性組件,那就可以讓磁場(chǎng)信號(hào)讀寫在一個(gè)限定區(qū)間里進(jìn)行,這樣不僅可以大量減少成本,同時(shí)也可以達(dá)到精細(xì)化刻度的目標(biāo)。

另一個(gè)比較普及的線性位置應(yīng)用,其實(shí)來自于我們?nèi)粘＝佑|到的游戲手柄。其實(shí)一些高端手柄,如XBOX手柄的扳機(jī)鍵已經(jīng)運(yùn)用到了霍爾傳感器,但其實(shí)搖桿的設(shè)定也會(huì)適合磁傳感器發(fā)揮功能。相比較運(yùn)用電位器的機(jī)械式結(jié)構(gòu)。磁傳感器的游戲手柄的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。一方面毫無疑問是對(duì)于靈敏度的應(yīng)需,另一方面在于技術(shù)成本的減小。這里的成本指的是整體的制造成本,盡管磁傳感器的獨(dú)立成本一定會(huì)高于電位器,但是機(jī)械結(jié)構(gòu)勢(shì)必意味著從封裝和線路排列,會(huì)損耗更多的投入,但是磁傳感器的應(yīng)用和植入其實(shí)蠻“傻瓜”的,就可以綜合性地縮減成本開支。

TMR在角度測(cè)量上的應(yīng)用價(jià)值和方向

而在家庭電器方面,尤其在高端家庭電器領(lǐng)域,TMR傳感器在角度測(cè)量方面的應(yīng)用扮演起了主要的角色。家庭電器傳統(tǒng)按鈕從最原始的固定式旋鈕變成了固定按鈕式,然后又把按鈕做進(jìn)了面板內(nèi),這樣一方面縮小電器的不規(guī)則體積,方面收納和清洗,另一方面滿足了高定產(chǎn)品的高級(jí)感。但缺點(diǎn)也立竿見影,從旋鈕到按鈕的更迭,從應(yīng)用上看,某種程度上是犧牲了更精細(xì)化功率輸出能力的。因此,TMR技術(shù)得到了用武之地。利用磁阻效應(yīng),我們可以把旋鈕設(shè)為非固定式,甚至是非接觸式外置配件,這樣就同時(shí)兼顧到更精準(zhǔn)的功率控制和輸出能力,也滿足電器方便收納和清洗的使用需求。另一方面,從產(chǎn)品生態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)來看,這種應(yīng)用也是符合智能家居生態(tài)進(jìn)化論的,同樣的旋鈕外置配件,是可以用來同時(shí)控制灶具、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、電燈等所有開關(guān)組件的功率調(diào)整和開閉合狀態(tài)的,這種生態(tài)化的統(tǒng)合控制相比目前市面上比較多的智能系統(tǒng)的語(yǔ)音控制也會(huì)更精確和自主。

角度測(cè)量的原理本質(zhì)是利用磁場(chǎng)變量和三角函數(shù),去測(cè)量偏轉(zhuǎn)角度,然后把再用偏轉(zhuǎn)角度去控制家電的輸出功率上。

TMR在電流測(cè)量上的應(yīng)用價(jià)值和方向

電流測(cè)量,可能是TMR傳感器最大的應(yīng)用方向了。一般來說,普通器件測(cè)量電流的原理比較簡(jiǎn)單,在流通環(huán)節(jié)上,去安置電阻,然后測(cè)量通過電阻的電流。但是缺點(diǎn)也很大。一個(gè)是對(duì)于大電流的測(cè)量,就必須串聯(lián)或者使用大電阻,一方面加大了成本,同時(shí)也不得不組裝成大體積結(jié)構(gòu);另一方面則是在超低電流的檢測(cè)方面,因?yàn)橐苿?dòng)智能設(shè)備的發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)和生物技術(shù)的擴(kuò)展衍生,器件工作電流突破安培級(jí)和毫安級(jí),可能會(huì)低至微安級(jí),甚至更低,因此用傳統(tǒng)控制電阻方法測(cè)電流就會(huì)意味著需要非常復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行搭配測(cè)量,簡(jiǎn)單地原理,但是非常復(fù)雜的工藝。而磁傳感器就完全不會(huì)有這些問題。即時(shí)是第一代霍爾傳感器,都可以巧妙運(yùn)用聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)來放大磁場(chǎng),而且體積重量相比電阻測(cè)量都會(huì)降低不只一個(gè)維度。那作為第四代的TMR傳感器又表現(xiàn)如何呢?霍爾傳感器的缺陷是功耗大,線性度差,而且聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)在磁傳感器領(lǐng)域里算是臃腫級(jí)的配置了。TMR傳感器檢測(cè)電流的原理是,通過檢測(cè)銅導(dǎo)線結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的電磁場(chǎng),再通過運(yùn)算來得到電流大小。它在去掉了聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,比霍爾傳感器有更好的溫度穩(wěn)定性、更高的靈敏度、更低的功耗,以及更好的線性度。這些優(yōu)勢(shì)也同樣存在于和AMR傳感器和GMR傳感器的比較優(yōu)勢(shì)里。

正因?yàn)檫@一特性,讓TMR傳感器在充電樁和光伏太陽(yáng)能板上有著得無與倫比的優(yōu)勢(shì)。盡管我知道國(guó)內(nèi)目前主要在公共充電樁領(lǐng)域運(yùn)用的是霍爾傳感器去檢測(cè)電流,但這并不影響TMR傳感器是更好的選擇。因?yàn)橄鄬?duì)來說,霍爾傳感器成本和封裝工藝難度會(huì)比TMR更便宜和簡(jiǎn)單這是事實(shí),但是從效果出發(fā),霍爾傳感器響應(yīng)時(shí)間慢、體積大、收到外部溫度影響導(dǎo)致的報(bào)錯(cuò)率高,這也是無法推諉的事實(shí)。而從充電樁的發(fā)展趨勢(shì)來看,未來交流電電樁和交直流一體電樁的普及度會(huì)是大趨勢(shì),同時(shí)單樁1拖2,1拖4的樁體結(jié)構(gòu)勢(shì)必要求城市內(nèi)總樁數(shù)的電功率損耗有個(gè)精確計(jì)算,從這個(gè)方面想,霍爾傳感器就會(huì)逐步顯示和放大自身的性能缺陷。

說完了TMR,我們?cè)賮碚f說國(guó)內(nèi)目前具有TMR領(lǐng)先技術(shù)的公司,其實(shí)國(guó)內(nèi)做霍爾的會(huì)比較多,因?yàn)槭袌?chǎng)普及度高和成本低的關(guān)系,霍爾的應(yīng)用市場(chǎng)需求會(huì)比較大,相對(duì)地技術(shù)發(fā)展就會(huì)比較得到青睞。TMR此類算是新型科技元件和技術(shù),在有條件有技術(shù)的公司里就會(huì)顯得鳳毛麟角一些。目前具有該項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)的公司里,比較大的,如TDK,Murata村田,還有一些小型的科技公司,如多維等等。但技術(shù)的前沿性給了國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)的公司不小的壁壘性,隨著本土TMR玩家的增加,可以預(yù)見距離最新的磁傳感器應(yīng)用普及越來越近了。

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