隧道磁阻（TMR）传感器技术

什么是TMR技术？

隧道磁阻效应（TMR）是磁感应技术的一项突破性进展，其具备无与伦比的灵敏度、卓越的热性能与高精度，这些特性对于间接电流测量至关重要。

隧道磁阻传感器集成了数千个磁隧道结阵列，能够以卓越的精度检测磁场的强度和方向。这项技术相较于使用逾百年的传统霍尔效应传感器实现了重大突破。

事实上，TMR技术已为人所知数十年之久。二十年前，硬盘驱动器（HDD）的TMR读取头实现商业化，由此开启了高密度数据存储的新纪元。彼时，TMR技术还为磁随机存取存储器（MRAM）提供了首批可行的解决方案，与传统的硅基存储器展开了竞争。

如今，其应用领域已扩展至线性与角向磁位检测、各类阈值磁场探测器、生物医学与航空航天领域的超灵敏设备、类脑计算等。在我们这个电气化的世界里，TMR技术无疑也占据着重要地位。

LEM现正将TMR传感器技术整合至其产品组合中，以满足日益增长的高性能电流检测需求。凭借其超低偏移、高分辨率、系统设计灵活性及紧凑尺寸等特性，TMR技术特别适用于需要快速保护、高精度、宽信号带宽和低功耗的应用场景。

TMR传感器利用量子力学及其著名的隧道磁阻效应。

任何TMR传感器的基本功能单元是磁隧道结柱，这是一种由纳米级厚度的金属层与介电层堆叠而成的亚微米级器件。当两个相邻的铁磁层通过薄绝缘层隔开时，其相对取向的变化会导致该磁隧道结柱的电阻发生改变。

第一层称为“感应层”，以线性且无磁滞的方式响应磁场。第二层称为“固定层”，其设计使得磁化方向对磁场保持不敏感。固定层的磁化方向决定了传感器的灵敏度轴。

磁场改变了感应层与钉扎层之间的相对磁配置，通过隧道磁阻效应改变了电子穿过介质势垒的隧道概率。通常，当磁场使固定层与感应层同向磁化时，系统进入低电阻态；反之，当两层呈反向磁化时则进入高电阻态。磁场在特定强度范围内引发态变，该磁场范围通常被用于磁场检测。

值得一提的是，高电阻态与低电阻态的比值可轻松达到数百倍。如此强烈的磁阻效应使TMR传感器能够检测微弱磁场，其灵敏度较传统霍尔效应传感器高出10至50倍。

与此同时，TMR效应产生的输出信号远大于传统传感器。结合其固有噪声降低一个数量级以上，TMR传感器提供了显著更高的信噪比，从而降低了信号调理电路的复杂度。这使得其精度优于1%，信号带宽超过10MHz，远超当前霍尔传感器的性能表现。

TMR技术相较于传统霍尔效应传感器具有多项关键优势，尤其在精度与速度至关重要的严苛应用场景中表现突出。

LEM部署的热阻（TMR）传感器技术专注于新一代高效电力电子设备的电流检测应用。这些应用要求快速保护、高精度和最小功率损耗，而TMR技术在所有这些领域都表现卓越。

1. 基于碳化硅和氮化镓的电力系统

宽禁带半导体材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）能够实现更快的开关速度和更高的功率转换效率。TMR传感器为监测这些系统中的电流提供了所需的精度和带宽，确保可靠运行并实现快速故障检测。

2. 车载充电器（OBC）

在电动汽车中，车载充电系统需要精确的电流检测来管理充电周期并保护组件。TMR传感器具有高分辨率和低偏移特性，使其成为集成到紧凑型高性能车载充电系统设计的理想选择。

3. 太阳能逆变器

太阳能系统依赖精确的电流测量来优化电力转换和电网交互。TMR传感器在整个温度范围内提供稳定性能，并具备住宅和商用太阳能逆变器中低电流检测所需的灵敏度。

4. 工业自动化

自动化系统需要快速精准的电流检测功能，以满足电机控制、机器人技术及安全机制的需求。TMR器件凭借其高带宽与低噪声特性，可在动态工业环境中实现实时监测与控制。

5. 快速保护电路

在毫秒级响应至关重要的应用场景中，例如故障检测和电路保护，TMR传感器凭借其快速响应和高保真特性，能够立即采取行动防止设备损坏或停机。

LEM采用TMR传感器技术标志着其向更集成化、高性能且成本效益高的传感解决方案迈出的战略性步伐。随着各行业对精度、速度和效率的需求持续增长，TMR技术已然成为一种强大且可扩展的解决方案。

如今，主要半导体厂商已将TMR技术整合到其工艺流程中。TMR芯片的价格势必会进一步下降。与此同时，学术界和工业研发实验室持续致力于开发磁隧道结堆栈的新材料，并推进更高效的TMR传感器布局。这些趋势将进一步拉大霍尔效应传感器与TMR传感器之间的性能差距。

无论在汽车、可再生能源还是工业自动化领域，LEM的TMR传感器均经过精心设计，以应对未来电力与控制系统所面临的挑战。