トンネル磁気抵抗（TMR）センサ技術
TMR技術とは何ですか？
トンネル磁気抵抗効果（TMR）は磁気センシングにおける画期的な技術であり、比類のない感度、優れた熱特性、そして高精度を兼ね備えており、間接的な電流測定において重要な特性の組み合わせを提供する。
TMRセンサは、磁界の強度と方向を極めて高い精度で検出可能な数千の磁気トンネル接合（MTJ）アレイを組み合わせたものである。この技術は、1世紀以上にわたり使用されてきた従来のホール効果センサを大きく凌駕する進歩を遂げている。
TMR技術は実は数十年前から知られています。ハードディスクドライブ（HDD）用のTMR読み取りヘッドは20年前に商品化され、高密度データストレージの新時代を切り開きました。当時、TMR技術は磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）向け初の実用的なソリューションも提案し、従来のシリコンメモリと競合し始めました。
今日、応用範囲は線形・角度磁気位置検出、多種多様な閾値磁界検出器、生体医用・航空宇宙産業向け超高感度デバイス、ニューロモーフィックコンピューティングなどへと広がっている。そして、電化された現代社会においてTMRが重要な位置を占めることも間違いない。
LEMは高性能電流検出の需要拡大に対応するため、TMRセンサ技術を製品ラインに統合しました。超低オフセット、高分解能、システム設計の柔軟性、コンパクトなフットプリントを備えたTMR技術は、高速保護、高精度、広い信号帯域幅、低消費電力が求められるアプリケーションに最適です。
TMRセンサの仕組み
TMRセンサは量子力学とその有名なトンネル磁気抵抗効果を利用している。
TMRセンサの基本構成要素はMTJピラーである。これはナノメートル厚の金属層と誘電体層を積層して作製されたサブミクロンデバイスである。このMTJピラーの電気抵抗は、薄い絶縁バリア層で分離された隣接する二つの強磁性層の相対的な向きによって変化する。
第一層は「センシング層」と呼ばれ、磁場に直線的かつ非ヒステリシス的に追従する。第二層は「ピン止め層」と名付けられ、その磁化が磁場の影響を受けないよう設計されている。ピン止め層の磁化方向がセンサの感度軸を定義する。
磁場は、センシング層とピンニング層間の相対的な磁気構造を変化させ、トンネル磁気抵抗効果により誘電体障壁を通る電子のトンネル確率を変化させる。通常、磁場が固定層と検出層を同方向に磁化させることで低抵抗状態が達成され、逆に反平行状態では高抵抗状態となる。この二状態間の遷移が生じる磁場範囲は、磁場検出に一般的に利用される。
特筆すべきは、高抵抗状態と低抵抗状態の比が容易に数百パーセントに達することである。このような強力な磁気抵抗効果により、TMRセンサは従来のホール効果センサと比較して10～50倍高い感度で微小磁場を検出できる。
同時にTMR効果は従来型センサよりも著しく大きな出力信号を生成する。固有ノイズが1桁以上低減されることに加え、TMRセンサは大幅に高い信号対雑音比を実現するため、より簡素な信号処理回路で済む。これにより1%未満の精度と10MHzを超える信号帯域幅が可能となり、現行のホールセンサ性能を大きく凌駕する。
ホール効果センサに対するTMRの利点
TMR技術は、従来のホール効果センサに比べていくつかの重要な利点を提供します。特に、精度と速度が極めて重要な要求の厳しい用途においてその優位性が顕著です。
| 機能 | TMRセンサ | ホール効果センサ |
|---|---|---|
| 感度 | 高 | 低～中程度 |
| 分解能 | > 12ビット（ネイティブ） | ≤10ビット（オーバーサンプリングが必要） |
| 出力電圧 | > 150 mV/V | ~15 mV/V (GaAs) |
| 帯域幅 | > 10 MHz | 必要な信号調整（電流スピン）のため約1.5MHzに制限 |
| 出力オフセット | 低 | 信号調整により最大4倍 |
| 温度安定性 | 優れている | 熱機械的影響を受ける |
| ノイズ性能 | 低 1/fノイズ | 高い熱雑音 |
| 信号調整の複雑さ | 低 | 高 |
| サイズと統合性 | コンパクトで柔軟なレイアウト | 小型、モノリシック集積が可能 |
LEMソリューションにおけるTMRセンサの応用
LEMのTMRセンサ技術の導入は、高効率パワーエレクトロニクス向け次世代電流検出に焦点を当てています。これらのアプリケーションでは高速保護、高精度、最小限の電力損失が求められますが、これらはすべてTMRが優れている分野です。
1. SiCおよびGaNベースの電力システム
シリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ半導体は、電力変換において高速スイッチングと高効率を実現します。TMRセンサは、これらのシステムにおける電流監視に必要な精度と帯域幅を提供し、信頼性の高い動作と迅速な故障検出を保証します。
2. 車載充電器（OBC）
電気自動車において、車載充電器システムは充電サイクルの管理と部品保護のため、正確な電流検出を必要とする。TMRセンサは高分解能と低オフセットを実現し、コンパクトで高性能な車載充電器設計への統合に最適である。
3. 太陽光発電用インバーター
太陽光発電システムは、電力変換と系統連系の最適化のために精密な電流測定に依存しています。TMRセンサは温度範囲全体で安定した性能を発揮し、住宅用および商業用太陽光インバーターにおける低電流検出に必要な感度を提供します。
4. 産業オートメーション
自動化システムでは、モーター制御、ロボット工学、安全機構向けに高速かつ高精度の電流検出が求められます。TMRの高帯域幅と低ノイズ特性は、動的な産業環境におけるリアルタイム監視と制御をサポートします。
5. 高速保護回路
故障検出や回路保護など、ミリ秒単位の応答が求められるアプリケーションにおいて、TMRセンサは高速応答性と高精度を実現し、損傷やダウンタイムを防止するための即時対応を可能にします。
なぜTMRがLEMにおける磁気センシングの未来なのか
LEMがTMRセンサ技術を採用したことは、より統合された高性能センシングとコスト効率の高いソリューションに向けた戦略的転換を示す。産業全体で精度、速度、効率への要求が高まる中、TMRは既に堅牢かつ拡張性の高いソリューションとして際立っている。
現在、主要な半導体メーカーはTMR技術を製造プロセスに組み込んでいる。必然的にTMRダイの価格はさらに低下する見込みである。一方、学術機関や産業研究開発機関では、MTJ積層構造向け新材料の開発や、より効率的なTMRセンサレイアウトの改良が続けられている。こうした動向により、ホール効果センサとTMRセンサの性能差はさらに拡大するだろう。
自動車、再生可能エネルギー、産業用オートメーションのいずれにおいても、LEMのTMRセンサは、未来の電力・制御システムが直面する課題に対応できるよう設計されています。