磁敏传感器

工作原理

　　磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。

　　一， 传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。特点正是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。后来发展为用线圈组成振荡槽路的。 如探雷器， 金属异物探测器，测磁通的磁通计等. (磁通门，振动样品磁强计)。

　　二, 霍尔传感器

　　霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。

　　霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用， 并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差， 在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV 元素族都有所应用。近年来，除Insb之外，有硅衬底的，也有砷化镓的。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。

　　Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。而砷化镓典型工作电流为2 mA。作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。（因为电源周围即有磁场，就不同程度引进误差。另外，目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热问题。（温升）就造成传感器的零漂。这些方面除外附补偿电路外，在材料方面也在不断的进行改进。

　　霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。霍尔器件的响应速度大约在1us 量级。

　　三，磁阻传感器

　　磁阻传感器，磁敏二极管等是继霍尔传感器后派生出的另一种磁敏传感器。采用的半导体材料于霍尔大体相同。但这种传感器对磁场的作用机理不同，传感器内载流子运动方向与被检磁场在一平面内。（顺便提醒一点，霍尔效应于磁阻效应是并存的。在制造霍尔器件时应努力减少磁阻效应的影响，而制造磁阻器件时努力避免霍尔效应（在计算公式中，互为非线性项）。在磁阻器件应用中，温度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制备方面，磁阻器件由于与霍尔不同，因此，早期的产品为单只磁敏电阻。由于温度漂移大，现在多制成单臂（两只磁敏电阻串联）主要是为补偿温度漂移。目前也有全桥产品，但用法（目的）与霍尔器件略有差异。据报导磁阻器件的响应速度同霍尔1uS量级。

　　磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔，因而供电也不同，而是采用恒压源（但也需要一定的电流）供电。当后续电路不同对供电电源的稳定性及内部噪声要求高低有所不同。

　　四， 磁敏器件应用的问题

　　磁敏器件（单元）体积问题：

　　在磁敏元件作为检测磁场而设计和制造的 ，一般检测的概念是：测量磁场中某一点的磁性。作为点的定义在几何学中是无限小的。在磁场检测中，由于磁场的面积、体积、缝隙大小等都是有限面积（尺寸），因此我们希望磁敏元件之面积与被测磁场面积相比也应该是越小越准确。在磁场成像的技术中，元件体积越小，在相同的面积内采集的像素就愈多。分辨率、清晰度越高。在表面磁场测量与多级磁体的检测中，在磁栅尺中，必然有如此要求。从磁敏元件工作机理看，为提高灵敏度在几何形状处于磁场中的几何尺寸都有相应要求，这与“点”的要求是相矛盾的。在与国外专家技术交流中得知，1999年俄罗斯专家说他们制成了体积0 .6mm得探头（是几个研究所合作搞成的）。美国也有相应的产品，售价约70美元一只。是否是目前水平，未见其它报导。

发展特点

　　1. 集成电路技术的应用. 将硅集成电路技术应用于磁敏传感器, 制成集成磁敏传感器.

　　2.InSb 薄膜技术的开发成功,使得霍尔器件产能剧增,成本大幅度下降.

　　3.强磁体合金薄膜得到广泛应用.各种磁阻器件出现,应用领域广泛.

　　4.巨磁电阻多层薄膜的研究与开发.新器件的高灵敏度,高稳定性,引起研制高密度 记录磁盘读出头的科技人员的极大关注.

　　5.非晶合金材料的应用.与基础器件配套应用,大大改善了磁传感器性能.

　　6.Ⅲ—V 族半导体异质结构材料的开发和应用.通过外延技术,形成异质结构,提高 磁敏器件的性能.

国外现状

　　1.国外磁传感器的常见种类 就市场占有情况来看,国外磁敏传感器主要品种依然是霍尔元件,磁阻元件.近期的 巨磁阻元件也有良好的发展空间.

　　2.外磁传感器的代表厂商: 霍尔元件:日本旭化成;日本东芝;美国 Honeywell 公司;美国 Allogro 公司. 磁阻器件:日本 SONY 公司;荷兰 PHILIPS 公司.

　　3.国外磁传感器的应用情况 磁敏传感器应用的特点是无接触测量.

　　霍尔元件: 磁场测量,做高斯计(特斯拉计)的检测探头. 电流检测,做电流传感器/变送器的一次元件. 直流无刷电机,用于检测转子位置并提供激励信号. 集成开关型霍尔器件的转速/转数测量.

　　强磁体薄膜磁阻器件: 位移传感器,主要有磁尺的线性长距离位移测量. 角位移传感器,主要用语转动角度测量,广泛应用于汽车制造业.

　　脉冲发讯传感器,主要用于流量检测和转速/转数测量,如电子水表和流量计的发讯传 感器.

　　半导体磁阻器件: 主要是 InSb 磁阻器件 微弱磁场检测,主要用于伪钞识别 脉冲测量,主要用于转速/转数测量

国内现状

　　1.国内磁传感器的常见种类及其特点 目前国内磁敏传感器经过三十余年的发展,就基础器件的研究与开发情况,除巨磁阻 期间存有差距以外, 常用其他磁敏传感器如霍尔元件, 磁阻元件等已经与国外同类产品的水 平相当.市场上应用的国产磁敏传感器件的种类也与国外产品相当,依然是霍尔元件,磁阻 元件.

　　2.国内磁传感器件代表厂商 霍尔元件:中科院半导体所,沈阳仪表科学研究院,南京中旭微电子公司. 磁阻器件:沈阳仪表科学研究院(汇博思宾尼斯公司)

　　3.国内磁传感器的应用情况 电流传感器:国内包括沈阳仪表科学研究院(思宾尼斯公司) ,西南自动化所等二, 三十家大小不同的企业在生产和销售电流传感器/变送器,其市场竞争已经白热化.该领域 是国内磁敏传感器应用最早,最普及,最成熟的领域. 直流无刷电机领域:InSb 霍尔元件为主,主要用于直流无刷电机转子位置检测,并提供定子线圈电流换向的激励信号. 目前年需求量在几亿只. 价格确仅有 0.3 元人民币左右. 该领域是磁敏传感器用量的领域,但是在国内目前未形成工业化生产. 流量计量领域:用于电子水表,电子煤气表,流量计等流量发讯传感器的低功耗薄 膜磁体磁阻器件.日前,该产品由沈阳仪表科学院汇博思宾尼斯传感技术有限公司生产,市 场空间可观. 该领域是磁敏传感器国内发展潜力的新兴应用领域, 目前处于市场成长期. 专用测量仪表:高斯计,用于磁场检测,在磁性材料生产及应用方面用量较多,国 内有沈阳仪表院思宾尼斯公司, 北京师范学院等几家公司生产, 其中思宾尼斯公司的高斯计 已经批量出口美国. 另外,国内的磁敏传感器在转速/转数测量,伪钞识别等领域,也均有应用,但没有形 成规模.孙仁涛教授提到,目前国内磁敏传感器没有进入汽车生产领域,可谓一大遗憾.

国内与国外差距

　　1.生产规模小,成本高.

　　2.部分元件的稳定性,可靠性差.

　　3.实际应用且具规模的领域少,特别是汽车领域,尚处空白.

　　4.科研成果转化慢,生产条件配套性差,缺少资金入.