磁敏傳感器的工作原理

磁敏傳感器，顧名思義就是感知磁性物體的存在或者磁性強(qiáng)度(在有效范圍內(nèi))這些磁性材料除永磁體外，還包括順磁材料(鐵、鈷、 鎳及其它們的合金)當(dāng)然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場。

一， 傳統(tǒng)的磁檢測中首先被采用的是電感線圈為敏感元件。特點(diǎn)正是無須在線圈中通電，一般僅對運(yùn)動中的永磁體或電流載體起敏感作用。后來發(fā)展為用線圈組成振蕩槽路的。 如探雷器， 金屬異物探測器，測磁通的磁通計等. (磁通門，振動樣品磁強(qiáng)計)。

二, 霍爾傳感器

霍爾傳感器是依據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件。

霍爾效應(yīng)：通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時，則載流子受到洛倫茲力的作用， 并有向兩邊聚集的傾向,由于自由電子的聚集(一邊多一邊必然少)從而形成電勢差， 在經(jīng)過特殊工藝制備的半導(dǎo)體材料這種效應(yīng)更為顯著。從而形成了霍爾元件。早期的霍爾效應(yīng)的材料Insb(銻化銦)。為增強(qiáng)對磁場的敏感度,在材料方面半導(dǎo) 體IIIV 元素族都有所應(yīng)用。近年來，除Insb之外，有硅襯底的，也有砷化鎵的?；魻柶骷捎谄涔ぷ鳈C(jī)理的原因都制成全橋路器件，其內(nèi)阻大約都在 150Ω~500Ω之間。對線性傳感器工作電流大約在2~10mA左右，一般采用恒流供電法。

Insb與硅襯底霍爾器件典型工作電流為10mA。而砷化鎵典型工作電流為2 mA。作為低弱磁場測量，我們希望傳感器自身所需的工作電流越低越好。（因?yàn)殡娫粗車从写艌?，就不同程度引進(jìn)誤差。另外，目前的傳感器對溫度很敏感，通 的電流大了，有一個自身加熱問題。（溫升）就造成傳感器的零漂。這些方面除外附補(bǔ)償電路外，在材料方面也在不斷的進(jìn)行改進(jìn)。

霍爾傳感器主要有兩大類，一類為開關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件，從結(jié)構(gòu)形式（品種）及用量、產(chǎn)量前者大于后者?；魻柶骷捻憫?yīng)速度大約在1us 量級。

三，磁阻傳感器

磁阻傳感器，磁敏二極管等是繼霍爾傳感器后派生出的另一種磁敏傳感器。采用的半導(dǎo)體材料于霍爾大體 相同。但這種傳感器對磁場的作用機(jī)理不同，傳感器內(nèi)載流子運(yùn)動方向與被檢磁場在一平面內(nèi)。（順便提醒一點(diǎn)，霍爾效應(yīng)于磁阻效應(yīng)是并存的。在制造霍爾器件時 應(yīng)努力減少磁阻效應(yīng)的影響，而制造磁阻器件時努力避免霍爾效應(yīng)（在計算公式中，互為非線性項）。在磁阻器件應(yīng)用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制 備方面，磁阻器件由于與霍爾不同，因此，早期的產(chǎn)品為單只磁敏電阻。由于溫度漂移大，現(xiàn)在多制成單臂（兩只磁敏電阻串聯(lián)）主要是為補(bǔ)償溫度漂移。目前也有 全橋產(chǎn)品，但用法（目的）與霍爾器件略有差異。據(jù)報導(dǎo)磁阻器件的響應(yīng)速度同霍爾1uS量級。

磁阻傳感器由于工作機(jī)理不同于霍爾，因而供電也不同，而是采用恒壓源（但也需要一定的電流）供電。當(dāng)后續(xù)電路不同對供電電源的穩(wěn)定性及內(nèi)部噪聲要求高低有所不同。

四， 磁敏器件應(yīng)用的問題

磁敏器件（單元）體積問題：

在磁敏元件作為檢測磁場而設(shè)計和制造的 ，一般檢測的概念是：測量磁場中某一點(diǎn)的磁性。作為點(diǎn)的定義在幾何學(xué)中是無限小的。在磁場檢測中，由于磁場的面積、體積、縫隙大小等都是有限面積（尺 寸），因此我們希望磁敏元件之面積與被測磁場面積相比也應(yīng)該是越小越準(zhǔn)確。在磁場成像的技術(shù)中，元件體積越小，在相同的面積內(nèi)采集的像素就愈多。分辨率、 清晰度越高。在表面磁場測量與多級磁體的檢測中，在磁柵尺中，必然有如此要求。從磁敏元件工作機(jī)理看，為提高靈敏度在幾何形狀處于磁場中的幾何尺寸都有相 應(yīng)要求，這與“點(diǎn)”的要求是相矛盾的。在與國外專家技術(shù)交流中得知，1999年俄羅斯專家說他們制成了體積0 .6mm得探頭（是幾個研究所合作搞成的）。美國也有相應(yīng)的產(chǎn)品，售價約70美元一只。是否是目前最高水平，未見其它報導(dǎo)。

磁敏傳感器的特點(diǎn)

1. 集成電路技術(shù)的應(yīng)用. 將硅集成電路技術(shù)應(yīng)用于磁敏傳感器, 制成集成磁敏傳感器.

2.InSb 薄膜技術(shù)的開發(fā)成功,使得霍爾器件產(chǎn)能劇增,成本大幅度下降.

3.強(qiáng)磁體合金薄膜得到廣泛應(yīng)用.各種磁阻器件出現(xiàn),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛.

4.巨磁電阻多層薄膜的研究與開發(fā).新器件的高靈敏度,高穩(wěn)定性,引起研制高密度 記錄磁盤讀出頭的科技人員的極大關(guān)注.

5.非晶合金材料的應(yīng)用.與基礎(chǔ)器件配套應(yīng)用,大大改善了磁傳感器性能.

6.Ⅲ—V 族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)和應(yīng)用.通過外延技術(shù),形成異質(zhì)結(jié)構(gòu),提高 磁敏器件的性能.

磁敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

國外磁敏傳感器的現(xiàn)狀

1.國外磁傳感器的常見種類 就市場占有情況來看,國外磁敏傳感器主要品種依然是霍爾元件,磁阻元件.近期的 巨磁阻元件也有良好的發(fā)展空間.

2.外磁傳感器的代表廠商: 霍爾元件:日本旭化成;日本東芝;美國 HONeywell 公司;美國 Allogro 公司. 磁阻器件:日本 SONY 公司;荷蘭 PHILIPS 公司.

3.國外磁傳感器的應(yīng)用情況 磁敏傳感器應(yīng)用的最大特點(diǎn)是無接觸測量.

霍爾元件: 磁場測量,做高斯計(特斯拉計)的檢測探頭. 電流檢測,做電流傳感器/變送器的一次元件. 直流無刷電機(jī),用于檢測轉(zhuǎn)子位置并提供激勵信號. 集成開關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量.

強(qiáng)磁體薄膜磁阻器件: 位移傳感器,主要有磁尺的線性長距離位移測量. 角位移傳感器,主要用語轉(zhuǎn)動角度測量,廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè).

脈沖發(fā)訊傳感器,主要用于流量檢測和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量,如電子水表和流量計的發(fā)訊傳 感器.

半導(dǎo)體磁阻器件: 主要是 InSb 磁阻器件 微弱磁場檢測,主要用于偽鈔識別 脈沖測量,主要用于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量

國內(nèi)磁敏傳感器的現(xiàn)狀

1.國內(nèi)磁傳感器的常見種類及其特點(diǎn) 目前國內(nèi)磁敏傳感器經(jīng)過三十余年的發(fā)展,就基礎(chǔ)器件的研究與開發(fā)情況,除巨磁阻 期間存有差距以外, 常用其他磁敏傳感器如霍爾元件, 磁阻元件等已經(jīng)與國外同類產(chǎn)品的水 平相當(dāng).市場上應(yīng)用的國產(chǎn)磁敏傳感器件的種類也與國外產(chǎn)品相當(dāng),依然是霍爾元件,磁阻 元件.

2.國內(nèi)磁傳感器件代表廠商 霍爾元件:中科院半導(dǎo)體所,沈陽儀表科學(xué)研究院,南京中旭微電子公司. 磁阻器件:沈陽儀表科學(xué)研究院(匯博思賓尼斯公司)

3.國內(nèi)磁傳感器的應(yīng)用情況 電流傳感器:國內(nèi)包括沈陽儀表科學(xué)研究院(思賓尼斯公司) ,西南自動化所等二, 三十家大小不同的企業(yè)在生產(chǎn)和銷售電流傳感器/變送器,其市場競爭已經(jīng)白熱化.該領(lǐng)域 是國內(nèi)磁敏傳感器應(yīng)用最早,最普及,最成熟的領(lǐng)域. 直流無刷電機(jī)領(lǐng)域:InSb 霍爾元件為主,主要用于直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測,并提供定子線圈電流換向的激勵信號. 目前年需求量在幾億只. 價格確僅有 0.3 元人民幣左右. 該領(lǐng)域是磁敏傳感器用量最大的領(lǐng)域,但是在國內(nèi)目前未形成工業(yè)化生產(chǎn). 流量計量領(lǐng)域:用于電子水表,電子煤氣表,流量計等流量發(fā)訊傳感器的低功耗薄 膜磁體磁阻器件.日前,該產(chǎn)品由沈陽儀表科學(xué)院匯博思賓尼斯傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn),市 場空間可觀. 該領(lǐng)域是磁敏傳感器國內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d應(yīng)用領(lǐng)域, 目前處于市場成長期. 專用測量儀表:高斯計,用于磁場檢測,在磁性材料生產(chǎn)及應(yīng)用方面用量較多,國 內(nèi)有沈陽儀表院思賓尼斯公司, 北京師范學(xué)院等幾家公司生產(chǎn), 其中思賓尼斯公司的高斯計 已經(jīng)批量出口美國. 另外,國內(nèi)的磁敏傳感器在轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量,偽鈔識別等領(lǐng)域,也均有應(yīng)用,但沒有形 成規(guī)模.孫仁濤教授提到,目前國內(nèi)磁敏傳感器沒有進(jìn)入汽車生產(chǎn)領(lǐng)域,可謂一大遺憾.

國內(nèi)磁敏傳感器與國外磁敏傳感器的差距

　　1.生產(chǎn)規(guī)模小,成本高.

　　2.部分元件的穩(wěn)定性,可靠性差.

　　3.實(shí)際應(yīng)用且具規(guī)模的領(lǐng)域少,特別是汽車領(lǐng)域,尚處空白.

　　4.科研成果轉(zhuǎn)化慢,生產(chǎn)條件配套性差,缺少資金入.