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，它利用磁敏電阻隨磁場強度大小的變化而引起阻值的改變來實現(xiàn)位移測量，因其靈敏度高、精確度高、體積小且抗干擾性強等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)控制、汽車、精密機床、機器人、金融機具、智能安防、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療等領域。

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

中北大學研究團隊設計并模擬了這款TMR微位移傳感器的磁性特征，采用Au-In晶圓鍵合方式實現(xiàn)了器件的低溫封裝。此外，該研究團隊還利用細分插值技術將器件的正弦余弦輸出轉換為隨位移線性變化的輸出，并采用多橋并聯(lián)技術抑制了外部磁力和地磁的干擾，以提高其分辨率。實驗結果表明，該TMR微位移傳感器的分辨率可達800nm，滿量程范圍可達毫米級。

TMR微位移傳感器設計圖

TMR微位移傳感器鍵合結構制造工藝流程

（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，研究團隊分析了鍵合溫度對Au-In鍵合剪切力的影響，通過剪切力測試，結果表明，TMR器件磁性材料的磁性會隨溫度的升高而降低，當溫度超過220℃時，TMR器件將發(fā)生不可逆的過程，且會隨著溫度的繼續(xù)升高而損壞。

Au-In鍵合剪切力測試結果

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，研究團隊通過實驗驗證了其線性關系。

TMR器件性能測試：（a）實驗設置；（b）TMR器件的磁阻靈敏度線性圖。

中北大學研究團隊稱，實驗中獲得的測量精度并非該TMR微位移傳感器目前可達到的最高水平，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。

該項目推進了高精度TMR傳感器的研發(fā)工作，也為在實際應用中開發(fā)出更多滿足不同終端應用需求的位移傳感器，提供了新的設計思路。

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