磁阻位移測量是近年來發(fā)展起來的一種新型位移傳感技術(shù)，它利用磁敏電阻隨磁場強(qiáng)度大小的變化而引起阻值的改變來實(shí)現(xiàn)位移測量，因其靈敏度高、精確度高、體積小且抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車、精密機(jī)床、機(jī)器人、金融機(jī)具、智能安防、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領(lǐng)域。

近期，中北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款基于隧道磁阻效應(yīng)（TMR）的微位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了亞微米級的分辨率，并且量程范圍可達(dá)毫米級，兼具高靈敏度、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，可適用于多種工業(yè)應(yīng)用。該研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

中北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并模擬了這款TMR微位移傳感器的磁性特征，采用Au-In晶圓鍵合方式實(shí)現(xiàn)了器件的低溫封裝。此外，該研究團(tuán)隊(duì)還利用細(xì)分插值技術(shù)將器件的正弦余弦輸出轉(zhuǎn)換為隨位移線性變化的輸出，并采用多橋并聯(lián)技術(shù)抑制了外部磁力和地磁的干擾，以提高其分辨率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該TMR微位移傳感器的分辨率可達(dá)800nm，滿量程范圍可達(dá)毫米級。

TMR微位移傳感器設(shè)計(jì)圖

TMR微位移傳感器鍵合結(jié)構(gòu)制造工藝流程

（a）4英寸硅晶圓照片；（b）焊盤在顯微鏡下的照片；（c）Au-In與TMR晶圓鍵合照片。

由于TMR器件易受溫度影響，研究團(tuán)隊(duì)分析了鍵合溫度對Au-In鍵合剪切力的影響，通過剪切力測試，結(jié)果表明，TMR器件磁性材料的磁性會(huì)隨溫度的升高而降低，當(dāng)溫度超過220℃時(shí)，TMR器件將發(fā)生不可逆的過程，且會(huì)隨著溫度的繼續(xù)升高而損壞。

Au-In鍵合剪切力測試結(jié)果

由于TMR微位移傳感器的性能不僅取決于其生成的磁場，還取決于TMR器件的靈敏度，為此，研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其線性關(guān)系。

TMR器件性能測試：（a）實(shí)驗(yàn)設(shè)置；（b）TMR器件的磁阻靈敏度線性圖。

中北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)稱，實(shí)驗(yàn)中獲得的測量精度并非該TMR微位移傳感器目前可達(dá)到的最高水平，隨著研究的深入，通過減少電子線圈層與TMR器件層之間的距離，增加插值因子以及降低電線圈的占空比，將能夠進(jìn)一步提高其靈敏度，并有望將測量分辨率提升至納米級。

該項(xiàng)目推進(jìn)了高精度TMR傳感器的研發(fā)工作，也為在實(shí)際應(yīng)用中開發(fā)出更多滿足不同終端應(yīng)用需求的位移傳感器，提供了新的設(shè)計(jì)思路。

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