TMR傳感器及其在電磁檢測中的應用

張繼楷，楊 蕓，康宜華，雷嘯鋒

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074;2.江蘇多維科技有限公司， 張家港 215634)

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TMR傳感器及其在電磁檢測中的應用

張繼楷1，楊 蕓1，康宜華1，雷嘯鋒2

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074;2.江蘇多維科技有限公司， 張家港 215634)

隧道磁敏電阻(TMR)具有精度高、頻響快、線性范圍寬、功耗小等優點，在電磁無損檢測中有望得到廣泛應用。基于這一新型的傳感器技術，有望開創新的無損檢測方法。為此，介紹了TMR傳感器的原理和磁場測量特性，并結合其在微弱漏磁場測量、通電電磁檢測、渦流檢測傳感器等方面的應用前景，闡述了TMR傳感器的應用特征。

TMR；磁場測量特性；無損檢測；應用

電磁無損檢測是利用材料在電磁場作用下呈現出的電磁特性變化來判斷材料組織及有關性能的一類試驗方法[1]。已有的檢測對象有在用的油井管、輸油輸氣管道、鋼絲繩、生產車間中的熱軋和冷拔鋼管等。隨著汽車工業的發展，汽車零部件如軸承內外圈、滾子、活塞環、缸套等精密加工件均要求100%檢測。當采用電磁方法進行無損檢測時，由于裂紋等缺陷的尺寸越來越小，對電磁傳感器的精度、靈敏度、一致性、空間分辨力、響應速度等都提出了更高的要求。為此，新的電磁傳感技術與器件的發展，將極大地提升電磁無損檢測的檢測能力。

目前，在電磁無損檢測中應用的磁傳感器主要有感應線圈、霍爾元件、各向異性磁敏電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)、巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)以及隧道磁敏電阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)等。感應線圈具有大量程、高精度、制作成本低等特點，在渦流檢測、漏磁檢測中應用十分普遍，但其測量的是磁感應強度的變化率，必須處在變化的磁場中或在磁場中運動才能工作，不能探測靜態和緩慢變化的磁場，對低頻交變的檢測靈敏度低。霍爾傳感器可直接測量磁場強度值的變化；在低頻時也具有良好的響應能力，可測量10-7～10 T的恒定磁場，也可測量頻率10 Hz～100 MHz、磁感應強度5 T的交變磁場，以及脈沖持續時間為幾十微秒的脈沖磁場[2]，但其功耗大、線性度差。AMR元件雖然靈敏度比霍爾元件高很多，但其線性范圍窄;同時,以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設置Set/Reset線圈對其進行預設/復位操作，制造工藝較復雜，線圈結構的設置在增加尺寸的同時也增加了功耗。GMR元件較霍爾元件有更高的靈敏度，但其線性范圍較小。TMR元件通常也用磁隧道結(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)來代指，相對于霍爾元件具有更好的溫度穩定性、更高的靈敏度、更低的功耗、更好的線性度，不需要額外的聚磁環結構；相對于AMR元件具有更好的溫度穩定性、更高的靈敏度、更寬的線性范圍，不需要額外的Set/Reset線圈結構；其相對于GMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更寬的線性范圍。表1為從霍爾元件到TMR前后四代半導體磁傳感器的技術參數對比。

表1 四代磁傳感器技術參數比對

綜上所述，TMR傳感器的優點突出，可以取代傳統磁傳感器，在電磁無損檢測領域發揮巨大的應用。

圖1 MTJ結構示意

1 TMR傳感器原理

隧道磁電阻效應的產生機理是自旋相關的隧穿效應。交換偏置作用的自旋閥結構的MTJ是一種典型的三明治結構[3]，包括由鐵磁層(被釘扎層)和反鐵磁層組成的釘扎層、隧道勢壘層以及鐵磁層組成的自由層，MTJ元件結構示意如圖1所示。鐵磁層和反鐵磁層之間的交換耦合作用決定了鐵磁層的磁矩方向；隧道勢壘層通常由MgO或Al2O3構成，位于釘扎層的上部;自由層位于隧道勢壘層的上部。圖1中的單向箭頭和雙向箭頭分別代表被釘扎層和自由層的磁矩方向。被釘扎層的磁矩在一定大小的磁場作用下是相對固定的；自由層的磁矩相對于被釘扎層的磁矩是相對自由且可旋轉的，可隨外場的變化而發生翻轉。當自由層與釘扎層磁化方向平行時，隧道結處在低阻態；當自由層與釘扎層磁化方向反平行時，隧道結處在高阻態；當自由層磁矩與釘扎層磁矩垂直時，阻值是位于低阻態和高阻態之間的中間值，該區域是理想的線性磁傳感器的“工作點”。

在理想狀態下，磁電阻R隨外場H的變化是完美的線性關系，同時沒有磁滯。理想情況下的MTJ元件的響應曲線如圖2所示。圖中，白色箭頭代表自由層磁矩方向，黑色箭頭代表釘扎層磁矩方向，RL代表低阻態，RH代表高阻態，HO是偏移場，-HS+HO～HS+HO是線性區對應的磁場范圍。

圖2 MTJ元件的響應曲線

理論上，一個單獨的TMR電阻條就可作為一個最簡單的隧道磁電阻傳感器，但它具有一個較大的與磁場無關的直流背景信號。對于在低頻情況工作的傳感器，通常采用惠斯通電橋結構去除背景信號(見圖3(a))。同時，由于橋式結構的四壁材料、性能完全相同，溫度系數也完全一樣，TMR電阻條的溫度效應的一級項抵消，即橋式結構基本沒有溫度效應[4]，所以橋式結構大量應用于TMR傳感器中。但是，如果組成惠斯通電橋結構的四個TMR電阻條對外磁場相應特性相同時，電橋將沒有信號輸出，設計上可采用兩種常見方法來解決：第一種是將組成電橋的四個電阻中的兩個相對的電阻用軟磁材料(如坡莫合金)進行屏蔽，以屏蔽外場對它的影響，如圖3(b)所示。這種情況下，在外界磁場下，被屏蔽的兩個電阻阻值不發生改變，使得傳感器有信號輸出，但是此結構的傳感器的輸出為單極性信號，傳感器只對磁場大小敏感，方向相反的磁場產生相同輸出，且由于電橋的一對電阻被屏蔽，輸出信號減小一半。第二種方法采用推挽式的惠斯通電橋結構(見圖3(c))，當一對電阻(如R1、R3)隨磁場增大而增大，另一對電阻(R2、R4)隨著磁場增大而減小，形成推挽輸出，四個同時激活的電阻條導致電橋的最佳輸出，但是為了實現零磁場的零輸出，需要反饋電路支持。采用上述的推挽式惠斯通橋式結構的TMR傳感器，具有超高靈敏度、寬動態范圍、低功耗、優越的溫度穩定性、極低的磁滯、寬工作電壓范圍、極低的本底噪聲以及高頻率響應等諸多優點。

圖3 TMR傳感器基本橋式單元結構

2 TMR測量磁場的特性

TMR在磁場測量上的特性及應用上主要表現在下列幾方面。

2.1 靈敏度高

目前已經商業化的TMR線性傳感器的靈敏度可以達到3 000 mV·V-1·mT-1，是傳統GMR傳感器的數十倍甚至數百倍，對微弱磁場檢測具有極大優勢。圖4為國內的多維科技公司研發出的TMR 9001線性傳感器的輸出曲線，可以看出，在±0.2 mT內，其具有良好的線性性。

圖4 TMR 9001線性傳感器輸出曲線

精密加工件，如軸承內外圈、滾子、活塞環、缸套等，制造過程中產生的裂紋微小，其在漏磁或渦流檢測中產生的磁場微弱，故對微弱磁場的測量將成為這類零件檢測的難點。以軸承檢測為例，軸承上存在的最小微裂紋的深度尺寸僅為幾微米，磁化后其漏磁場微弱到僅有幾百納特，且提離效應得到放大，半導體元件能夠測量到的磁場更弱；磁粉檢測方法能有效檢出微小裂紋，但預處理及后處理復雜，且不便于自動化。TMR的高靈敏度便可解決此類檢測中的微弱磁場測量問題，且TMR傳感器可采用普通電子元件形式進行封裝，利于實現自動化檢測。

SAKA[5]等曾提出一種對金屬通直流電激勵，再通過檢測金屬外部磁場變異來評價缺陷的方法，但試驗中缺陷較大，探頭尺寸也較大，沒有實際應用價值；國內的康宜華、談存真[6]等也提出一種針對有色金屬直流電激勵、霍爾元件測量裂紋上磁場的檢測方法，但試驗中通電電流較大，不能連續長時間工作。

通過COMSOL仿真建立模型，在100 mm×20 mm×4 mm(長×寬×厚)的銅板上，存在一10 mm×2 mm×2 mm(長×寬×深)的刻槽，銅板兩端通1 A的直流電，在距離銅板表面0.1 mm的平面上測量沿銅板寬度方向x的磁場分量Bx，結果如圖4所示。可以看出，若要檢出缺陷，需要在0.028 mT的背景磁場中檢出約0.004 mT的變化量，這點是傳統磁傳感器難以做到的。

圖5 某含刻槽銅板的磁場分量Bx試驗信號

在此次通電電磁檢測中，筆者采用TMR 2905系列探頭進行試驗，通電電流降到毫安級別時仍可以有效檢出銅板上的刻槽，并且可以對工件進行長時間連續通電。通過在1 000 mm×20 mm×5 mm(長×寬×厚)的銅板上分別用電火花刻傷機制作6個不同深度、寬度的刻槽，尺寸參數如表2所示。試驗結果如圖6所示，試驗結論為：① 刻槽越深，Bx的最大變化量ΔBx值越大，且在一定范圍內與刻槽深度線性相關。② 刻槽越寬，ΔBx值越大，且在一定范圍內與刻槽寬度線性相關。

圖6 含不同刻槽銅板的磁場分量Bx試驗信號

編號深度/mm寬度/mm112222332421522623

由于TMR芯片尺寸小，便于檢測設備的小型化、集成化，能極大地推動此種無損檢測方法與技術的發展。

2.2 空間分辨率高

目前TMR傳感元件的尺寸可做到微米級別，空間分辨率極高，通過合理設計，可以精確繪出空間磁場的矢量圖，提供更多的信息。

北京工業大學的吳斌等[7]通過在鋼絲繩的漏磁檢測中引入TMR傳感器作為檢測探頭進行試驗時發現，在橫向刻槽寬度為0.2 mm時，檢測兩個相鄰的刻槽的軸向分辨率小于2.5 mm。且試驗證實，通過引入TMR傳感器，不僅極大地改善了軸向分辨率，還提高了鋼絲繩漏磁檢測的精度和靈敏度。

2.3 頻率響應快TMR傳感器的頻率響應范圍從直流到GHz，具有極好的頻率響應特性，在交變磁場檢測中具有優勢。

在渦流檢測中，由于在工件中產生的渦流并不是自表面向下均勻分布的，而是由表面向下隨透入深度增加而作指數衰減的，渦流透入材料的距離稱為透入深度，渦流密度衰減到其表面值的1/e(37%)時的透入深度稱為趨膚深度，可按下式計算：

(1)

式中:δ為趨膚深度,m;f為頻率,Hz;μ為材料磁導率,H·m-1;σ為材料電導率,S·m-1。

由式(1)可以看出，趨膚深度隨著頻率的增加而減小，所以對于渦流檢測，其主要的劣勢之一就在于只能檢測表面或近表面部位。

與傳統的電渦流檢測線圈相比，TMR傳感器直接測量磁場的靈敏度與磁場的交變頻率幾乎無關，尤其在低頻段，具有感應線圈無法比擬的磁場測量優勢，因此，利用TMR傳感器制成的渦流檢測探頭，具有更強的深層缺陷檢測能力。國防科技大學的安寅[8]等利用COMSOL有限元仿真軟件建立螺栓孔孔周徑向埋藏裂紋檢測物理模型，確定基于TMR的平面電磁傳感器結構，最后通過試驗進行驗證：在鋁合金板上，埋藏深度5 mm的缺陷仍可以被檢出；TMR傳感器能有效檢測螺栓孔深層缺陷。

2.4 易于陣列化和模塊化

TMR傳感器輸出端口簡單，易于陣列化;目前市場上已有商業化的陣列探頭，最多可達360個通道，且分辨率可達到0.475 mm，主要用于金融領域。

若將TMR陣列傳感器應用到所有磁測量的場合，則可使磁場矢量可視化，并可將磁測量問題轉化為圖像處理問題，一方面能提高測量速度與效率，另一方面能利用圖像處理的技術處理磁場信息。

3 結語

隧道磁電阻傳感器具有靈敏度高、精度高、線性范圍寬等諸多優點，其關鍵性能已遠超傳統磁傳感器。筆者基于市場已有的TMR傳感器芯片，簡要介紹了TMR傳感器在微弱漏磁場測量、通電電磁檢測、渦流檢測傳感器、電磁超聲檢測傳感器等幾個領域的應用前景。在電磁無損檢測領域，TMR傳感器還會有更多可用之處，相信TMR傳感器將極大地推動無損檢測領域向高精化、高效化方向發展。

[1] 康宜華,宋凱,楊建桂,等.幾種電磁無損檢測方法的工作特征[J]. 無損檢測,2008,30(12): 928-930.

[2] 李大明.磁場測量講座[J].電測與儀表,1989(10):41-47,21.

[3] PARKIN S S P, ROCHE K P, SAMANT M G, et al. Exchange-biased magnetic tunnel junctions and application to nonvolatile magnetic random access memory (invited)[J]. J Appl Phys, 1999, 85(8), 5828-5833.

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[5] SAKA M, SATO I, ABE H. NDE of a 3-D surface crack using magnetic field induced by DC current flow[J]. NDT & E International, 1998, 31(5): 325-328.

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[7] WU B, WANG Y J, LIU X C, et al. A novel TMR-based MFL sensor for steel wire rope inspection using the orthogonal test method[J]. Smart Materials and Structures, 2015, 24(7): 075007.

[8] 安寅,陳棣湘,田武剛. 基于TMR的平面電磁傳感器仿真設計[J]. 無損檢測,2016,38(4):33-37.

綜上所述，超聲波檢測波形異常是由套圈內部硅酸鹽夾雜物超標引起。

4 結論

(1) 采用黑磁粉、熒光磁粉、超聲A型顯示或超聲相控陣方法都可以有效地檢測出軸承套圈中的夾雜物。

(2) 由于夾雜物會導致材料缺陷處磁導率的突變，從而產生大量的磁泄漏；故，黑色磁粉檢測和熒光磁粉檢測都可以有效地發現夾雜物缺陷，磁痕顯示清晰、銳利。熒光磁粉檢測時，缺陷和背景的對比較黑磁檢測更為強烈，更容易識別缺陷。

(3) 夾雜物會導致材料介質聲學性能發生突變，超聲波檢測時會產生明顯的聲波反射。因此，針對夾雜物缺陷，超聲波A型顯示的回波幅值較高。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學會無損檢測學會.磁粉檢測[M]. 北京:機械工業出版社，2005.

TMR Sensor and Its Application in Electromagnetic Nondestructive Testing

ZHANG Ji-kai1, YANG Yun1, KANG Yi-hua1, LEI Xiao-feng2

(1.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074, China; 2.Jiangsu Multi-Dimension Technology Co.,Ltd., Zhangjiagang 215634, China)

Magnetic sensors based on the TMR effect have the virtue of high response frequency, high sensitivity, wide linearity range and low power consumption, etc, which have great potential in application in electromagnetic nondestructive testing. Based on this novel sensor technique, some promising NDT methods would be discovered. For these reasons, it is introduced about the principles and characteristics of TMR combined with the applications and potential of TMR sensors in micro magnetic testing, DC-introduced defect detection and eddy current testing sensor in the field of nondestructive testing.

TMR; Characteristic of magnetic field testing; Nondestructive testing; Application

2016-04-19

國家自然科學基金資助項目(51275193)

張繼楷(1992-)，男，博士研究生，主要從事電磁和光學自動化無損檢測研究。

康宜華(1965-)，男，博士生導師，主要從事無損檢測技術及儀器方向研究，E-mail:yhkang@263.net。

10.11973/wsjc201612009

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0036-04