磁傳感器

磁傳感器是把磁場、電流、應力應變、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。磁傳感器分為三類：指南針、磁場感應器、位置傳感器。指南針：地球會產生磁場，如果你能測地球表面磁場就可以做指南針。電流傳感器：電流傳感器也是磁場傳感器。電流傳感器可以用在家用電器、智能電網、電動車、風力發電等等。位置傳感器： 如果一個磁體和磁傳感器相互之間有位置變化，這個位置變化是線性的就是線性傳感器，如果轉動的就是轉動傳感器。

大生活中用到很多磁傳感器，比如説指南針，電腦硬盤、家用電器等等。

磁傳感器未來的發展趨勢有以下幾種特點：

1、高靈敏度。被檢測信號的強度越來越弱，這就需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環境測量。

2、温度穩定性。更多的應用領域要求傳感器的工作環境越來越嚴酷，這就要求磁傳感器必須具有很好的温度穩定性，行業應用包括汽車電子行業。

3、抗干擾性。很多領域裏傳感器的使用環境沒有任何屏蔽，就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性。包括汽車電子、水錶等等。

4、小型化、集成化、智能。要想做到以上需求，這就需要芯片級的集成，模塊級集成，產品級集成。

5、高頻特性。隨着應用領域的推廣，要求傳感器的工作頻率越來越高，應用領域包括水錶、汽車電子行業、信息記錄行業。

6、低功耗。很多領域要求傳感器本身的功耗極低，得以延長傳感器的使用壽命。應用在植入身體內磁性生物芯片，指南針等等。

磁傳感器的發展,在上世紀70～80 年代形成高潮。90 年代是已發展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。

(1) 集成電路技術的應用。將硅集成電路技術用於磁傳感器,開始於1967 年。Honeywell 公司Mi2croswitch 分部的科技人員將Si 霍爾片和它的訊號處理電路集成到一個單芯片上,製成了開關電路,首開了單片集成磁傳感器之先河。已經出現了磁敏電阻電路、巨磁阻電路等許多種功能性的集成磁傳感器。

(2) InSb 薄膜技術的開發成功,使InSb 霍爾元件產量大增,成本大幅度下降。最先運用這種技術獲得成功的日本旭化成電子公司,如今可年產5 億隻以上。

(3) 強磁性合金薄膜。1975 年面市的強磁合金薄膜磁敏電阻器利用的是強磁合金薄膜中的磁敏電阻各向異性效應。在與薄膜表面平行的磁場作用下,以坡莫合金為代表的強磁性合金薄膜的電阻率呈現出2 [%]～5 [%]的變化。利用這種效應已製成三端、四端磁阻器件。四端磁阻橋已大量用於磁編碼器中,用來檢測和控制電機的轉速。此外,還作成了磁阻磁強計、磁阻讀頭以及二維、三維磁阻器件等。它們可檢測10 - 10～10 - 2 T 的弱磁場,靈敏度高、温度穩定性好, 將成為弱磁場傳感和檢測的重要器件。

(4) 巨磁電阻多層膜。由不同金屬、不同層數和層間材料的不同組合,可以製成不同的機制的巨磁電阻(giant magneto - resistance) 磁傳感器。它們呈現出的隨磁場而變化的電阻率,比單層的各向異性磁敏電阻器的要高出幾倍,正受到研製高密度記錄磁盤讀出頭的科技人員的極大關注，已見有5 G字節的自旋閥頭的設計分析的報導。

(5) 各種不同成分和比例的非晶合金材料的採用,及其各種處理工藝的引入,給磁傳感器的研製注入了新的活力,已研製和生產出了雙芯多諧振盪橋磁傳感器、非晶力矩傳感器、壓力傳感器、熱磁傳感器、非晶大巴克豪森效應磁傳感器等[4 ] 。發現的巨磁感應效應(giant magneto inductive effect) 和巨磁阻抗效應(giant magneto - impedance effect) ,比巨磁電阻的響應靈敏度高一個量級,可能做成磁頭,成為高密度磁盤讀頭的有力競爭者。利用非晶合金的高導磁率特性和可做成細絲的機械特性,將它們用於磁通門和威根德等器件中,取代坡莫合金芯,使器件性能得到大大的改善。(6) Ⅲ- Ⅴ族半導體異質結構材料。例如,在InP 襯底上用分子束外延技術生長In0. 52Al0. 48As/In0. 8Ga0. 2As ,形成假晶結構,產生二維電子氣層,其層厚是分子級的,這種材料的能帶結構發生改變。用這種材料來製作霍爾元件,其靈敏度高於市售的

InSb 和GaAs 元件,在296 K時為22. 5 V/ T ,靈敏度的温度係數也有大的改善,用恆定電流驅動時,為-0. 0084 [%]/ K。用這種材料,除可製造霍爾器件外,還可用以製造磁敏場效應管、磁敏電阻器等。在國外,由於磁傳感器已逐漸被廣泛而大量地使用 。

（6）磁隧道結。早在1975年,Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(MagneticTunnelJunctions，MTJs)（注：MTJs的一般結構為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結構）中觀察到了TMR效應 ^[1]  。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向，從而實現隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時，MTJs這種結構本身電阻率很高、能耗小、性能穩定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機存儲器(MRAM)，都具有無與倫比的優點，其應用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視 ^[2]  。

磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經濟、國防建設、科學技術、醫療衞生等領域都發揮着重要作用，成為現代傳感器產業的一個主要分支。在傳統產業應用和改造、資源探查及綜合利用、環境保護、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發揮着愈來愈重要的作用。下面就一些重要方面的應用作一論述。

磁傳感器已經在許多領域獲得了產業性的應用，每年所需用的磁傳感器的總數量以數十億計。

1.1 電機工業

無刷電動機具有體積小、重量輕、效率高、調速方便、維護少、壽命長、不產生電磁干擾等一系列優點，年需求量數以億計。

在無刷電動機中，用磁傳感器來作轉子磁極位置傳感和定子電樞電流換向器。許多磁傳感器，霍爾器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但大量使用的，主要是霍爾器件。

電機的轉速檢測和控制使用了的旋轉編碼器，過去多用光編碼器。磁編碼器的使用顯示出越來越多的優點，正在逐漸取代光學器件。使用磁傳感器還可以對電機進行過載保護(主要用霍爾電流傳感器)及轉矩檢測。

1.2 電力電子技術

電力電子錶技術是電力技術和電子技術的結合，可實現交直流電流的相互變換，並可在所需的範圍內實現電流、電壓和頻率的自由調節。採用這些技術和產品，可做成各種特殊電源(如UPS、高頻電源、開關電源、弧焊機逆變電源等)和交流變頻器等產品(交流變頻器用於電機調速，節能效果極好)。這些變流裝置的核心，是大功率半導體器件。以磁傳感器為基礎的各種電流傳感器被用來監測、控制和保護這些大功率器件。霍爾電流傳感器響應速度快，且依靠磁場和被控電路耦合，不接入主電路，因而功耗低，抗過載能力強，線性好，可靠性高，既可作為大功率器件的過流保護驅動器，又可作為反饋器件，成為自控環路的一個控制環節。使用變流技術可以大量節能，國外使用的電能95%是經過變換來的，國內變流技術雖已受到高度重視，但僅有5%的電能經過這種變換，可見具有巨大的應用前景。其中，可能吸納大量的電流傳感器，是磁傳感器的又一巨大的產業性應用領域。

1.3 能源管理

電網的自動檢測系統需採集大量的數據，經計算機處理之後，對電網的運行狀況實施監控，並進行負載的分配調節和安全保護。自動監控系統的各個控制環節，都可用以磁傳感器為基礎的電流傳感器、互感器等來實現。霍爾電流傳感器已逐步在電網系統中得到應用。用霍爾器件作成的電度表已從研製逐步轉向實用化，它們可自動計費並可顯示功率因數，以便隨時進行調整，保證高效用電。

1.4 計算機技術與信息讀寫磁頭

磁信息記錄裝置除磁帶、磁盤等之外，還有磁卡、磁墨水記錄帳冊、鈔票的磁記錄等，對磁信息存儲和讀出傳感器有巨大需求。感應磁頭，薄膜磁阻磁頭，非晶磁頭等都獲得了大量的使用。隨着記錄密度的提高，例如高到100G字節，需要更高靈敏度和空間分辨力的磁頭。以多層金屬薄膜為基礎的巨磁阻磁頭、用非晶合金絲製作的非晶合金磁頭、巨磁阻抗磁頭等正展開激烈的競爭。

1.5 汽車工業

在汽車中，使用大量的電機(高級汽車每輛約需40～60台電機，一般汽車中也有15台，這些電機呈現出無刷化趨勢)，其中使用磁傳感器的數量之大，不言而喻;另一個大量使用磁傳感器的是汽車的ABS系統(防抱制動系統)，平均每台汽車要使用4～6只速度傳感器，使用的主要是感應式速度傳感器。正在逐步推廣的新型的霍爾齒輪傳感器，以及威氏器件、非晶器件、磁阻器件等即將進入這一領域。

另外是汽車發動機系統點火定時用的速度傳感器及點火器。這些方面也主要使用感應傳感器。霍爾齒輪傳感器和霍爾片開關已經在一些車型中使用。據霍尼威爾公司報導，截止1996年6月，他們已向汽車工業供應了8000萬隻霍爾翼片開關和300萬隻霍爾齒輪速度傳感器。據預測，未來在一輛汽車中，將採用30多隻象霍爾傳感器那樣的磁傳感器。

還有在工業自動控制、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統等領域，除大量使用無刷直流電機，交流變頻器等之外，在電冰箱、空調器、電飯煲等裝置中，使用了大量的磁性温度控制器，上世紀80年代中期已經超過數億隻。

據報道，1995年僅工業過程控制傳感器的全球市場已達到260億美元;2001年計算機HDD用SV-GMR磁頭的市場超過了4000億日元(約合34億美元)。若採用新型微型磁傳感器，既使操作更簡便，又提高了可靠性，增長了器件壽命，降低了成本。

使用新型磁傳感器可以顯着提高測量和控制精度，如使用GMI(巨磁阻抗)磁場傳感器，檢測分辨率和常用磁通門磁強計一樣，而響應速度卻快了一倍，消耗功率僅為後者的1%;若用霍爾器件，其分辨率僅4A/m，而所需外場比前者高300餘倍;在應力檢測中，SI 傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導體應變規的20～40倍。工業機牀的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，廣泛採用套在活塞桿上的永磁環和AMR元件組成的磁傳感器，檢測精度達0.1mm，檢測速度可在0～500mm/s內以高低速度變換;改用GMI或SV-GMR傳感器後，測量精度至少可以提高1個數量級。在機牀數控化時代，數字磁尺幫助設計師們實現了閉環控制。使用絕對信號輸出的磁尺，則不受噪聲、電源電壓波動等干擾，也不必原點復位。使用工作狀態磁敏開關，還可以完成手動與數控之間的轉換。

旋轉磁編碼器在旋轉量的檢測控制中起關鍵作用，它在數控機牀、機器人、工廠自動化設備的位置檢測、傳輸速度控制，磁盤、打印機之類的自動化設備通訊設備的旋轉量檢測中都是不可缺少的重要部件。其檢測對象是光磁圖形，不受油霧粉塵的影響，因此比目前最先進的光編碼器的可靠性高壽命長，尤其適合於自動焊接、油漆機器人和與鋼鐵有關的位置檢測以及各種金屬、木材、塑料等加工行業的應用。而仍大量使用光編碼器，由於這種器件易受粉塵、油污和煙霧的影響，用在自動焊接、油漆機器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應用AMR、GMR 、GMI敏感元件構成的旋轉磁編碼器，就不存在上述缺點，因此，它們的市場需求年增長率在30%以上。在家用電器和節能產品中也也有其廣泛的應用潛力，在節能環保產品中也大有用武之地。若使用微型磁編碼器和控制微機一體化，更有利於簡化控制系統結構，減少元件數和佔空體積，這在精密製造和加工業中意義十分重大。

環境保護的前提是對各個環境參數(温度、氣壓、大氣成份、噪聲.......)的監測，這裏需要使用多種大量的傳感器。採用強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時測量真空或密閉空間的温度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠距離訪問。在食品包裝、環境科學實驗等方面，應用前景廣闊。

交通事故和交通阻塞是城市中和城市間交通存在的一個大問題。國內外都在加強高速公路行車支持道路系統(AHS)、智能運輸系統(ITS)和道路交通信息系統(VICS)等的開發與建設。在這些新系統中，高靈敏度、高速響應微型磁傳感器大有用武之地。例如，用分辨率可達1nT的GMI和SI傳感器，可構成ITS傳感器(作高速路上的道路標誌，測車輪角度，貨車近接距離)，汽車通過記錄儀(測通行方向、速度、車身長度、車種識別)，停車場成批車輛傳感器，加速度傳感器(測車輛通過時路橋的振動等)。

幾個世紀以來，人們在導航中一直使用磁羅盤。有資料顯示早在二千多年前中國人就開始使用天然磁石-一種磁鐵礦來指示水平方向。電子羅盤(數字羅盤，電子指南針，數字指南針)是測量方位角(航向角)比較經濟的一種電子儀器。如今電子指南針廣泛應用於汽車和手持電子羅盤，手錶，手機，對講機，雷達探測器，望遠鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器(穆斯林鐘)，手持 GPS 系統，尋路器，武器/導彈導航( 航位推測 )，位置/方位系統，安全/定位設備，汽車、航海和航空的高性能導航設備，電子遊戲機設備等需要方向或姿態顯示的設備。

地球本身是一個大磁鐵，地球表面的磁場大約為0.5Oe，地磁場平行地球表面並始終指向北方。利用GMR薄膜可做成用來探測地磁場的傳感器。圖5顯示這種傳感器的具體工作原理。我們可以製出能夠探測磁場X和Y方向分量的集成GMR傳感器。此傳感器可作為羅盤並應用在各種交通工具上作為導航裝置。美國的NVE公司已經把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計算和區別通過傳感器的車輛。如果同時分開放置兩個GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當然GMR也可用在公路的收費亭，從而實現收費的自動控制。另外高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衞星通信技術上。大家知道，在軍事工業中隨着吸波技術的發展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。當然，GMR磁場傳感器可以應用在衞星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分佈。 ^[3] 

在智能家居門禁系統中門磁開關的作用是負責門磁通電否，通電帶磁(閉門)，斷電消磁(開門)，門磁安裝於門與門套上，開關安裝於屋內，配合自動閉門器使用，一般可承受150公斤的拉力。

有線門磁為嵌入式安裝更加隱蔽，感應門窗的開合，適用於木質或鋁合金門窗發出有線常閉/常開開關信號。門磁是用來探測門、窗、抽屜等是否被非法打開或移動。它由無線發射器和磁塊兩部分組成。門磁系統其實和牀磁等原理相同。 ^[4]