磁性传感器

定义

    什么是磁传感器？就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。磁传感器分为三类：指南针、磁场感应器、位置传感器。指南针：地球会产生磁场，如果你能测地球表面磁场就可以做指南针。电流传感器：电流传感器也是磁场传感器。电流传感器可以用在家用电器、智能电网、电动车、风力发电等等。位置传感器： 如果一个磁体和磁传感器相互之间有位置变化，这个位置变化是线性的就是线性传感器，如果转动的就是转动传感器。

    大家在生活中都用到很多磁传感器，比如说指南针，电脑硬盘、家用电器等等。

发展趋势

    磁传感器未来的发展趋势有以下几种特点：

    1、高灵敏度。被检测信号的强度越来越弱，这就需要磁性传感器灵敏度得到极大提高。应用方面包括电流传感器、角度传感器、齿轮传感器、太空环境测量。

    2、温度稳定性。更多的应用领域要求传感器的工作环境越来越严酷，这就要求磁传感器必须具有很好的温度稳定性，行业应用包括汽车电子行业。

    3、抗干扰性。很多领域里传感器的使用环境没有任何评比，就要求传感器本身具有很好的抗干扰性。包括汽车电子、水表等等。

    4、小型化、集成化、智能。要想做到以上需求，这就需要芯片级的集成，模块级集成，产品级集成。

    5、高频特性。随着应用领域的推广，要求传感器的工作频率越来越高，应用领域包括水表、汽车电子行业、信息记录行业。

    6、低功耗。很多领域要求传感器本身的功耗极低，得以延长传感器的使用寿命。应用在植入身体内磁性生物芯片，指南针等等。

发展历程

    磁传感器的发展,在本世纪70～80 年代形成高潮。90 年代是已发展起来的这些磁传感器的成熟和完善的时期。

    (1) 集成电路技术的应用。将硅集成电路技术用于磁传感器,开始于1967 年。Honeywell 公司Mi2croswitch 分部的科技人员将Si 霍尔片和它的讯号处理电路集成到一个单芯片上,制成了开关电路,首开了单片集成磁传感器之先河。已经出现了磁敏电阻电路、巨磁阻电路等许多种功能性的集成磁传感器。

    (2) InSb 薄膜技术的开发成功,使InSb 霍尔元件产量大增,成本大幅度下降。运用这种技术获得成功的日本旭化成电子公司,如今可年产5 亿只以上。

    (3) 强磁性合金薄膜。1975 年面市的强磁合金薄膜磁敏电阻器利用的是强磁合金薄膜中的磁敏电阻各向异性效应。在与薄膜表面平行的磁场作用下,以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻率呈现出2 [%]～5 [%]的变化。利用这种效应已制成三端、四端磁阻器件。四端磁阻桥已大量用于磁编码器中,用来检测和控制电机的转速。此外,还作成了磁阻磁强计、磁阻读头以及二维、三维磁阻器件等。它们可检测10 - 10～10 - 2 T 的弱磁场,灵敏度高、温度稳定性好, 将成为弱磁场传感和检测的重要器件。

    (4) 巨磁电阻多层膜。由不同金属、不同层数和层间材料的不同组合,可以制成不同的机制的巨磁电阻(giant magneto - resistance) 磁传感器。它们呈现出的随磁场而变化的电阻率,比单层的各向异性磁敏电阻器的要高出几倍,正受到研制高密度记录磁盘读出头的科技人员的极大关注，已见有5 G字节的自旋阀头的设计分析的报导。

    (5) 各种不同成分和比例的非晶合金材料的采用,及其各种处理工艺的引入,给磁传感器的研制注入了新的活力,已研制和生产出了双芯多谐振荡桥磁传感器、非晶力矩传感器、压力传感器、热磁传感器、非晶大巴克豪森效应磁传感器等。发现的巨磁感应效应(giant magneto inductive effect) 和巨磁阻抗效应(giant magneto - impedance effect) ,比巨磁电阻的响应灵敏度高一个量级,可能做成磁头,成为高密度磁盘读头的有力竞争者。利用非晶合金的高导磁率特性和可做成细丝的机械特性,将它们用于磁通门和威根德等器件中,取代坡莫合金芯,使器件性能得到大大的改善。

    (6) Ⅲ- Ⅴ族半导体异质结构材料。例如,在InP 衬底上用分子束外延技术生长In0. 52Al0. 48As/In0. 8Ga0. 2As ,形成假晶结构,产生二维电子气层,其层厚是分子级的,这种材料的能带结构发生改变。用这种材料来制作霍尔元件,其灵敏度高于市售的

    InSb 和GaAs 元件,在296 K时为22. 5 V/ T ,灵敏度的温度系数也有大的改善,用恒定电流驱动时,为-0. 0084 [%]/ K。用这种材料,除可制造霍尔器件外,还可用以制造磁敏场效应管、磁敏电阻器等。在国外,由于磁传感器已逐渐被广泛而大量地使用 。

    （7）磁隧道结。早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构）中观察到了TMR效应。MTJs中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向，从而实现隧穿电阻的巨大变化，故MTJs较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度。同时，MTJs这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定。因此，MTJs无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器(MRAM)，都具有无与伦比的优点，其应用前景十分看好，引起世界各研究小组的高度重视。

应用

    磁传感器全球每年产值大概在10亿美元，加上后端系统就更大了。这里所讲的是感应层面的磁传感器。

    在智能交通里，比如说任何一个车在公路上开的时候，如果你公路上放一个磁传感器，车走过的轨迹你把它记录下来，就可以建设高速公路的车流。

    前一段动车出事以后，国家交通部要求有没有单独的方案，建设动车是停在某一个轨道上，还是不在某一个轨道上，后来又一个方案很简单，在动车沿线每隔两公里铺一个磁传感器，这是一个单独系统，所以当你没电的时候也可以告诉调度中心。

    磁传感器应用于工业领域

    磁传感器就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的传感器。磁传感器在工业领域应用很多，还呈快速增长的趋势。

    在工业应用领域，的磁传感器类型是电流传感器，包括分流电阻器、霍尔效应集成电路、电流感应变压器、开环与闭环霍尔器件以及磁通门传感器。在许多测量50安培以下电流的应用中，比如住宅太阳能逆变器应用或小型UPS系统，使用简单的resistive bar或分路（shunt）。

    但随着所测电流强度的上升，shunt变得笨重和昂贵。在大型变频电机等电流较高的应用中，开环与闭环霍尔传感器在一个小型封装中使用霍尔效应IC；也可以提高集成度，在封装中包含一个专用集成电路。霍尔IC同样用于工业洗衣机变频器控制应用之中。

    除了电流传感器，独立霍尔效应IC或磁阻传感器开关也存在规模较小的磁传感器市场，这些器件用于电机整流，以降低纹波和改善性能，或者用于位置测量。

磁传感器的应用与市场

    磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支。在传统产业应用和改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面，它们发挥着愈来愈重要的作用。下面就一些重要方面的应用作一论述。

    磁传感器的产业应用

    磁传感器已经在许多领域获得了产业性的应用，每年所需用的磁传感器的总数量以数十亿计。

    1.1 电机工业

    无刷电动机具有体积小、重量轻、效率高、调速方便、维护少、寿命长、不产生电磁干扰等一系列优点，年需求量数以亿计。

    在无刷电动机中，用磁传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器。许多磁传感器，霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但大量使用的，主要是霍尔器件。

    电机的转速检测和控制使用了的旋转编码器，过去多用光编码器。磁编码器的使用显示出越来越多的优点，正在逐渐取代光学器件。使用磁传感器还可以对电机进行过载保护(主要用霍尔电流传感器)及转矩检测。

    1.2 电力电子技术

    电力电子表技术是电力技术和电子技术的结合，可实现交直流电流的相互变换，并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。采用这些技术和产品，可做成各种特殊电源(如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等)和交流变频器等产品(交流变频器用于电机调速，节能效果极好)。这些变流装置的核心，是大功率半导体器件。以磁传感器为基础的各种电流传感器被用来监测、控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快，且依靠磁场和被控电路耦合，不接入主电路，因而功耗低，抗过载能力强，线性好，可靠性高，既可作为大功率器件的过流保护驱动器，又可作为反馈器件，成为自控环路的一个控制环节。使用变流技术可以大量节能，国外使用的电能95%是经过变换来的，国内变流技术虽已受到高度重视，但仅有5%的电能经过这种变换，可见具有巨大的应用前景。其中，可能吸纳大量的电流传感器，是磁传感器的又一巨大的产业性应用领域。

    1.3 能源管理

    电网的自动检测系统需采集大量的数据，经计算机处理之后，对电网的运行状况实施监控，并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节，都可用以磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。霍尔电流传感器已逐步在电网系统中得到应用。用霍尔器件作成的电度表已从研制逐步转向实用化，它们可自动计费并可显示功率因数，以便随时进行调整，保证高效用电。

    1.4 计算机技术与信息读写磁头

    磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外，还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等，对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。感应磁头，薄膜磁阻磁头，非晶磁头等都获得了大量的使用。随着记录密度的提高，例如高到100G字节，需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等正展开激烈的竞争。

    1.5 汽车工业

    在汽车中，使用大量的电机(汽车每辆约需40～60台电机，一般汽车中也有15台，这些电机呈现出无刷化趋势)，其中使用磁传感器的数量之大，不言而喻;另一个大量使用磁传感器的是汽车的ABS系统(防抱制动系统)，平均每台汽车要使用4～6只速度传感器，使用的主要是感应式速度传感器。正在逐步推广的新型的霍尔齿轮传感器，以及威氏器件、非晶器件、磁阻器件等即将进入这一领域。

    另外是汽车发动机系统点火定时用的速度传感器及点火器。这些方面也主要使用感应传感器。霍尔齿轮传感器和霍尔片开关已经在一些车型中使用。据霍尼威尔公司报导，截止1996年6月，他们已向汽车工业供应了8000万只霍尔翼片开关和300万只霍尔齿轮速度传感器。据预测，未来在一辆汽车中，将采用30多只象霍尔传感器那样的磁传感器。

    还有在工业自动控制、机器人、办公自动化、家用电器及各种安全系统等领域，除大量使用无刷直流电机，交流变频器等之外，在电冰箱、空调器、电饭煲等装置中，使用了大量的磁性温度控制器，上世纪80年代中期已经超过数亿只。

    在传统产业改造中的应用及市场

    据报道，1995年仅工业过程控制传感器的全球市场已达到260亿美元;2001年计算机HDD用SV-GMR磁头的市场超过了4000亿日元(约合34亿美元)。若采用新型微型磁传感器，既使操作更简便，又提高了可靠性，增长了器件寿命，降低了成本。

    使用新型磁传感器可以显着提高测量和控制精度，如使用GMI(巨磁阻抗)磁场传感器，检测分辨率和常用磁通门磁强计一样，而响应速度却快了一倍，消耗功率仅为后者的1%;若用霍尔器件，其分辨率仅4A/m，而所需外场比前者高300余倍;在应力检测中，SI 传感器的灵敏度是常用电阻丝的2000倍高，是半导体应变规的20～40倍。工业机床的油压或气压汽缸活塞位置检测，广泛采用套在活塞杆上的永磁环和AMR元件组成的磁传感器，检测精度达0.1mm，检测速度可在0～500mm/s内以高低速度变换;改用GMI或SV-GMR传感器后，测量精度至少可以提高1个数量级。在机床数控化时代，数字磁尺帮助设计师们实现了闭环控制。使用信号输出的磁尺，则不受噪声、电源电压波动等干扰，也不必原点复位。使用工作状态磁敏开关，还可以完成手动与数控之间的转换。

    旋转磁编码器在旋转量的检测控制中起关键作用，它在数控机床、机器人、工厂自动化设备的位置检测、传输速度控制，磁盘、打印机之类的自动化设备通讯设备的旋转量检测中都是不可缺少的重要部件。其检测对象是光磁图形，不受油雾粉尘的影响，因此比目前的光编码器的可靠性高寿命长，尤其适合于自动焊接、油漆机器人和与钢铁有关的位置检测以及各种金属、木材、塑料等加工行业的应用。而仍大量使用光编码器，由于这种器件易受粉尘、油污和烟雾的影响，用在自动焊接、油漆机器人、纺织和钢铁、木料、塑料等的加工中，可靠性极差。应用AMR、GMR 、GMI敏感元件构成的旋转磁编码器，就不存在上述缺点，因此，它们的市场需求年增长率在30%以上。在家用电器和节能产品中也也有其广泛的应用潜力，在节能环保产品中也大有用武之地。若使用微型磁编码器和控制微机一体化，更有利于简化控制系统结构，减少元件数和占空体积，这在精密制造和加工业中意义十分重大。

    在环境监测中的应用

    环境保护的前提是对各个环境参数(温度、气压、大气成份、噪声.......)的监测，这里需要使用多种大量的传感器。采用强磁致伸缩非晶磁弹微型磁传感器，可以同时测量真空或密闭空间的温度和气压，而且不用接插件，可以遥测和远距离访问。在食品包装、环境科学实验等方面，应用前景广阔。

    在交通管制中的应用

    交通事故和交通阻塞是城市中和城市间交通存在的一个大问题。国内外都在加强高速公路行车支持道路系统(AHS)、智能运输系统(ITS)和道路交通信息系统(VICS)等的开发与建设。在这些新系统中，高灵敏度、高速响应微型磁传感器大有用武之地。例如，用分辨率可达1nT的GMI和SI传感器，可构成ITS传感器(作高速路上的道路标志，测车轮角度，货车近接距离)，汽车通过记录仪(测通行方向、速度、车身长度、车种识别)，停车场成批车辆传感器，加速度传感器(测车辆通过时路桥的振动等)

    磁传感器在电子罗盘中的应用

    几个世纪以来，人们在导航中一直使用磁罗盘。有资料显示早在二千多年前中国人就开始使用天然磁石-一种磁铁矿来指示水平方向。电子罗盘(数字罗盘，电子指南针，数字指南针)是测量方位角(航向角)比较经济的一种电子仪器。如今电子指南针广泛应用于汽车和手持电子罗盘，手表，手机，对讲机，雷达探测器，望远镜，探星仪，穆斯林麦加探测器(穆斯林钟)，手持 GPS 系统，寻路器，武器/导弹导航( 航位推测 )，位置/方位系统，安全/定位设备，汽车、航海和航空的高性能导航设备，电子游戏机设备等需要方向或姿态显示的设备。

    地球本身是一个大磁铁，地球表面的磁场大约为0.5Oe，地磁场平行地球表面并始终指向北方。利用GMR薄膜可做成用来探测地磁场的传感器。图5显示这种传感器的具体工作原理。我们可以制出能够探测磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器。此传感器可作为罗盘并应用在各种交通工具上作为导航装置。美国的NVE公司已经把GMR传感器用在车辆的交通控制系统上。例如，放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通过传感器的车辆。如果同时分开放置两个GMR传感器，还可以探测出通过车辆的速度和车辆的长度，当然GMR也可用在公路的收费亭，从而实现收费的自动控制。另外高灵敏度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。大家知道，在军事工业中随着吸波技术的发展，军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽，但是它们无论如何都会产生磁场，因此通过GMR磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。当然，GMR磁场传感器可以应用在卫星上，用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。

    以上只述及了部分应用的方面，限于篇幅不再详述了。

    门磁传感器在智能家居中的应用

    在智能家居门禁系统中门磁开关的作用是负责门磁通电否，通电带磁(闭门)，断电消磁(开门)，门磁安装于门与门套上，开关安装于屋内，配合自动闭门器使用，一般可承受150公斤的拉力。

    有线门磁为嵌入式安装更加隐蔽，感应门窗的开合，适用于木质或铝合金门窗发出有线常闭/常开开关信号。门磁是用来探测门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动。它由无线发射器和磁块两部分组成。门磁系统其实和床磁等原理相同。这里主要以门磁为例。