來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

前言

磁性傳感器是將各種磁場及其變化的量轉(zhuǎn)變成電信號輸出的裝置。我們可以人工設(shè)置永久磁體，利用其產(chǎn)生的磁場作為各種信息的載體，從而讓磁性傳感器承擔(dān)起集探測、存儲、轉(zhuǎn)換、復(fù)現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場及磁場中信息的任務(wù)。在當(dāng)今的信息社會中，磁性傳感器已然成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可或缺的基石元件。目前，人們已研制出利用各種物理、化學(xué)和生物效應(yīng)的磁性傳感器，并在科研、生產(chǎn)和社會生活的各個方面得到了廣泛的運用。

磁性傳感器的分類及簡介

本文主要介紹霍爾元件、各向異性磁阻AMR元件、巨磁電阻GMR元件及隧道磁電阻TMR元件這4種磁性傳感器，并簡要探討他們的應(yīng)用。

霍爾傳感器

霍爾傳感器，顧名思義，是依據(jù)霍爾效應(yīng)來制作的?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法，通過霍爾效應(yīng)實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器。

1.線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，輸出模擬量。

2.開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，輸出數(shù)字量。

根據(jù)霍爾效應(yīng)用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點。因此，在測量、自動化、計算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

各向異性磁阻AMR

磁阻傳感器，同理，是利用磁阻效應(yīng)制成的。1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)了各向異性磁阻效應(yīng)。

各向異性磁阻效應(yīng)(即AMR)是指，當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻不隨外加磁場變化而改變；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量偏移，薄膜電阻降低的一種現(xiàn)象。

AMR在感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量方面見長，常被制成轉(zhuǎn)速傳感器、接近開關(guān)、隔離開關(guān)。以及導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機(jī)的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機(jī)、旋轉(zhuǎn)位置傳感、鉆井定向等。

巨磁電阻GMR

巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時比在無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料的電阻也最小。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，此時材料的電阻最大。

基于巨磁阻效應(yīng)研發(fā)出了極度靈敏的磁頭，可以清晰讀出較弱的磁信號并轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化，而這種磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的"大容量、小型化"革命。同時巨磁電阻還可用于MRAM、角度或位置傳感器、電流傳感器、生物檢測以及軍事領(lǐng)域等方面。

隧道磁電阻TMR

TMR元件是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，比AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。

目前，AMR傳感器早已大規(guī)模應(yīng)用，GMR傳感器正快速發(fā)展。TMR傳感技術(shù)最開始是應(yīng)用于硬盤驅(qū)動器讀出磁頭，大幅提高了硬盤驅(qū)動器的記錄密度。TMR集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態(tài)范圍于一體，因而在各類磁傳感器技術(shù)中，TMR磁性傳感器具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。因此，TMR傳感器可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、金融器具、生物醫(yī)療、消費電子、汽車領(lǐng)域等方面。

磁性傳感器的應(yīng)用

1汽車工業(yè)

磁性傳感器在汽車中的應(yīng)用主要是車速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數(shù)檢測，以及導(dǎo)航、定位等方面的應(yīng)用。在節(jié)能降耗中，尤其是目前減少點滴碳排放或其它污染物的情況下，馬達(dá)會成為重中之重，馬達(dá)將從存在摩擦力的“一刻不停”的滑輪系統(tǒng)向電子馬達(dá)轉(zhuǎn)變，后者可以按需控制。并且，電子馬達(dá)會向效率更高和更加可靠的有刷DC馬達(dá)轉(zhuǎn)變，磁性傳感器的作用就體現(xiàn)在讓馬達(dá)控制或換向更加精確。

2工業(yè)應(yīng)用

在其它工業(yè)應(yīng)用方面，磁性傳感器可用于電腦服務(wù)器等機(jī)器的不間斷電源、焊接系統(tǒng)。在大型變頻電機(jī)等電流較高的應(yīng)用中，開環(huán)與閉環(huán)霍爾傳感器可以在一個小型封裝中使用霍爾效應(yīng)IC，也可以在封裝中包含一個專用集成電路來提高集成度?；魻朓C也適用于工業(yè)變頻器控制的應(yīng)用之中。除了電流傳感器，獨立霍爾效應(yīng)IC或磁阻傳感器開關(guān)也存在電機(jī)整流來降低紋波和改善性能，或用于位置測量等應(yīng)用。

3醫(yī)療應(yīng)用

磁性傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，盡管規(guī)模要小于工業(yè)領(lǐng)域，但卻能夠在很多場合輔助病人護(hù)理和監(jiān)控：救護(hù)車，醫(yī)院和家庭護(hù)理等。無論是在手術(shù)過程中，重癥監(jiān)護(hù)室，還是在普通的家庭護(hù)理方面，都可以提供有效的方式以控制運動、氣流、探測血壓等挽救生命或提高生命質(zhì)量。不過，磁性傳感器還是主要用于換向傳感器的醫(yī)療設(shè)備之中的電機(jī)控制，類似呼吸機(jī)、輸液、胰島素和腎臟透析機(jī)等方面。

4消費電子

磁性傳感器在消費電子中的應(yīng)用也十分廣泛。例如手機(jī)、筆記本電腦、電子羅盤等方面。MEMS傳感器和磁性傳感器在電子羅盤中的應(yīng)用互相促進(jìn)，可以使導(dǎo)航產(chǎn)品更加精準(zhǔn)，而這會在導(dǎo)航市場成為一個亮點。如果把陀螺儀、加速度和磁性傳感器三種傳感器集成在一起，三者在功能上互相輔助，則構(gòu)成了功能更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

5航天軍工

高靈敏度和低磁場的傳感器是航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上非常重要的材料。隨著軍事工業(yè)中吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可通過覆蓋一層吸波材料而瞞天過海，但無論如何這些物件都會產(chǎn)生磁場，因此通過GMR磁場傳感器就可以把這些隱蔽的物體找出來。GMR磁場傳感器還可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。而電子羅盤主要用于武器/導(dǎo)彈導(dǎo)航，航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備中功不可沒。

審核編輯黃昊宇