隧道磁阻技术及其应用简介
一.概述
1.磁阻的概念:材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化称为磁阻。物质的电阻率在磁场中发生变化的现象称为磁阻效应。磁阻效应和霍尔效应一样，是由磁场中作用于载流子的洛伦兹力引起的。从一般的磁电阻开始，磁电阻经历了巨磁电阻、巨磁电阻、各向异性磁电阻、隧道磁电阻、直接磁电阻和异常磁电阻。
2.磁阻应用:磁阻效应广泛应用于磁传感、磁强计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆检测、GpS导航、仪器仪表、磁存储等领域。磁阻器件因其灵敏度高、抗干扰能力强而广泛应用于工业、交通、仪器仪表、医疗器械、勘探等领域，如数字罗盘、交通车辆检测、导航系统、假币检测、位置测量等。
3.隧道磁阻效应:隧道磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜-铁磁材料中，隧道电阻随两侧铁磁材料的相对方向而变化的效应。TMR效应因其独特的优势，如大磁阻效应和高磁场灵敏度，显示出非常诱人的应用前景。这种效应是磁性随机存储器和硬盘中磁性读/写头的科学基础。
二、隧道磁阻效应的物理解释
从经典物理学的角度来看，铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构根本无法在磁层中实现电子穿通，但量子力学可以很好地解释这一现象。当两个铁磁层的磁化方向相互平行时，大部分自旋子带的电子会进入另一磁性层的大部分自旋子带的空状态隧道磁电阻传感器，少数自旋子带的电子也会进入另一磁性层的小部分自旋子带的空状态。总隧穿电流大，此时器件处于低阻状态。当两个磁层的磁化方向反平行时，情况正好相反，即大部分自旋子带的电子会进入另一个磁层中少数自旋子带的空状态，少数自旋子带的电子也会进入另一个磁层中多数自旋子带的空状态，此时隧穿电流较小，器件处于高阻状态。可以看出，隧道电流和隧道电阻取决于两个铁磁层的相对磁化方向。当磁化方向改变时，隧道电阻发生变化，所以称为隧道磁阻效应。
图TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型
TMR磁传感器利用磁场变化引起磁阻变化的原理，因此我们可以通过TMR磁传感器的电阻变化来测量外部磁场的变化。TMR磁阻传感器的制作远比铁磁层+绝缘层+铁磁层的三明治结构复杂。在基本结构中，除了铁磁层+绝缘层+铁磁层的夹层结构外，上下增加了一个顶部电极层和一个底部电极层，两个电极与相邻的磁性层直接接触。底部电极层位于绝缘衬底上方，比底部电极层宽并且位于衬底上方。
图2磁阻传感器的结构
三、TMR磁阻传感器的特点
基于磁阻效应的磁信号可以转换成电信号。除了受温度范围和工作磁场限制的巨磁电阻效应外，AMR、GMR和TMR磁电阻效应都可以应用于磁传感器。
目前，AMR传感器得到了广泛的应用。GMR传感器方兴未艾，发展迅速。TMR传感技术首次应用于硬盘驱动器的读头，大大提高了硬盘驱动器的记录密度。它结合了AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围的优点。因此，在各种磁传感器技术中，TMR磁传感器具有无可比拟的技术优势隧道磁电阻传感器，其性能指标远远优于其他类型的传感器。下表1给出了具有三种效果的传感器技术的比较。
表1三种磁共振传感技术的比较
各种由TMR材料制成的高灵敏度磁传感器用于检测弱磁场和感测弱磁场信号。这种传感器具有体积小、可靠性高、响应范围广的优点，能够满足自动化技术、家用电器、商标识别、卫星定位、导航系统和精密测量技术日益苛刻的要求。基于TMR技术的传感器具有以下特征:
1.高灵敏度-检测信号的强度越来越弱，因此磁传感器的灵敏度需要大大提高。应用包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、以及Tai 空的环境测量。
电流传感器:需要检测nA级的电流，即使加上磁聚焦环，磁传感器本身的检测精度也需要达到nt级
角度传感器：
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