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TM10型電流傳感器
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TM11型電流傳感器
TM12型電流傳感器
什么是TMR（隧道磁阻）效應？
磁感應技術經歷了從霍爾效應到AMR（各向異性磁電阻）、GMR（巨磁電阻）再到TMR效應的幾個階段。霍爾傳感器因其成本低廉和使用方便而被廣泛應用于消費電子產品中；AMR技術提高了靈敏度和性能；GMR進一步擴大了電阻變化的幅度；而TMR效應利用量子隧穿機制將磁感應技術推向了更高的靈敏度和精度。TMR效應可以算是磁感應技術發(fā)展的一個重要里程碑。
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圖：磁傳感技術的演變
磁感應技術的每一次進步都帶來了顯著的性能提升。從霍爾傳感器的低成本特性，到AMR和GMR技術靈敏度的逐步提高，再到TMR通過量子隧穿實現(xiàn)的低功耗和高精度，這種演變響應了市場對高性能傳感器日益增長的需求。
TMR（隧道磁阻）效應是一種基于量子隧穿的磁阻現(xiàn)象。當磁場變化時，電子會隧穿兩種鐵磁材料（鐵磁層）之間的一層非常薄的絕緣層（通常由氧化物或氮化物制成），從而引起明顯的電阻變化。這種電阻變化遠大于傳統(tǒng)磁效應（如霍爾效應和AMR效應），使TMR傳感器具有更高的靈敏度和噪聲抑制能力。
TMR效應的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1970年代，但直到材料科學和納米技術的進步，TMR傳感器才開始得到實際應用。該效應用于檢測外部磁場的強度和方向，廣泛應用于角度感測、位置監(jiān)控和速度測量等領域。
了解了TMR效應的基本原理后，我們將進一步探討TMR傳感器如何將該效應應用于磁場檢測以及其獨特的工作機制。
TMR傳感器的工作原理
核心組件 – MTJ（磁隧道結）
TMR傳感器的核心結構為磁隧道結（MTJ），其工作原理是依靠硬磁層、軟磁層和絕緣層的協(xié)同作用（如下圖所示），此外，MTJ元件通常與CMOS電路結合，實現(xiàn)信號的輸出與處理。
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圖：磁隧穿結（MTJ）結構
- 硬磁層（Pin層）：該層具有固定的磁矩方向，通常由穩(wěn)定的強磁性材料制成，提供參考方向。
- 軟磁層（自由層）：此層的磁矩可隨外界磁場調整，具有較高的靈敏度，通常由鐵、鈷或鎳等軟磁材料制成。
- 絕緣層（阻擋層）：通常由氧化物或氮化物制成，該層位于兩種磁性材料之間，充當隔離器，同時也充當電子隧穿的通道。
硬磁層與軟磁層之間的磁矩排列（平行或反平行）直接影響電子的隧穿概率，從而導致電阻的變化。這種電阻變化構成了TMR傳感器中磁場檢測的基礎。
材料選擇與性能優(yōu)化
TMR傳感器的性能受材料選擇和設計優(yōu)化的顯著影響：
- 硬磁層的材料選擇決定了其抗干擾能力和高溫穩(wěn)定性。
- 軟磁層的磁飽和能力直接影響傳感器的靈敏度。
- 絕緣層厚度控制在幾納米，可以有效提高信噪比，同時降低功耗。
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