中北大学研究团队开发出亚微米级高精度TMR微位移传感器

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磁阻位移测量是近年来发展起来的一种新型位移传感技术，它利用磁敏电阻随磁场强度大小的变化而引起阻值的改变来实现位移测量，因其灵敏度高、精确度高、体积小且抗干扰性强等优点，被广泛应用于工业控制、汽车、精密机床、机器人、金融机具、智能安防、环境监测和医疗等领域。

近期，中北大学研究团队开发出一款基于隧道磁阻效应（TMR）的微位移传感器，实现了亚微米级的分辨率，并且量程范围可达毫米级，兼具高灵敏度、低能耗等优点，可适用于多种工业应用。该研究成果已发表于Scientific Reports期刊。

中北大学研究团队设计并模拟了这款TMR微位移传感器的磁性特征，采用Au-In晶圆键合方式实现了器件的低温封装。此外，该研究团队还利用细分插值技术将器件的正弦余弦输出转换为随位移线性变化的输出，并采用多桥并联技术抑制了外部磁力和地磁的干扰，以提高其分辨率。实验结果表明，该TMR微位移传感器的分辨率可达800nm，满量程范围可达毫米级。

TMR微位移传感器设计图

TMR微位移传感器键合结构制造工艺流程

（a）4英寸硅晶圆照片；（b）焊盘在显微镜下的照片；（c）Au-In与TMR晶圆键合照片。

由于TMR器件易受温度影响，研究团队分析了键合温度对Au-In键合剪切力的影响，通过剪切力测试，结果表明，TMR器件磁性材料的磁性会随温度的升高而降低，当温度超过220℃时，TMR器件将发生不可逆的过程，且会随着温度的继续升高而损坏。

Au-In键合剪切力测试结果

由于TMR微位移传感器的性能不仅取决于其生成的磁场，还取决于TMR器件的灵敏度，为此，研究团队通过实验验证了其线性关系。

TMR器件性能测试：（a）实验设置；（b）TMR器件的磁阻灵敏度线性图。

中北大学研究团队称，实验中获得的测量精度并非该TMR微位移传感器目前可达到的最高水平，随着研究的深入，通过减少电子线圈层与TMR器件层之间的距离，增加插值因子以及降低电线圈的占空比，将能够进一步提高其灵敏度，并有望将测量分辨率提升至纳米级。

该项目推进了高精度TMR传感器的研发工作，也为在实际应用中开发出更多满足不同终端应用需求的位移传感器，提供了新的设计思路。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41598-022-06965-3