磁敏傳感器

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?chē)拇艌?chǎng)。

傳統(tǒng)的磁檢測(cè)中首先被采用的是電感線圈為敏感元件。特點(diǎn)正是無(wú)須在線圈中通電，一般僅對(duì)運(yùn)動(dòng)中的永磁體或電流載體起敏感作用。后來(lái)發(fā)展為用線圈組成振蕩槽路的。 如探雷器， 金屬異物探測(cè)器，測(cè)磁通的磁通計(jì)等. (磁通門(mén)，振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì))。

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(chǎng)作用時(shí)，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(shì)差， 在經(jīng)過(guò)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(duì)磁場(chǎng)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(lái)，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(duì)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(chǎng)測(cè)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(chē)从写艌?chǎng)，就不同程度引進(jìn)誤差。另外，目前的傳感器對(duì)溫度很敏感，通 的電流大了，有一個(gè)自身加熱問(wèn)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(lèi)，一類(lèi)為開(kāi)關(guān)型器件，一類(lèi)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。霍爾器件的響應(yīng)速度大約在1us 量級(jí)。

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(duì)磁場(chǎng)的作用機(jī)理不同，傳感器內(nèi)載流子運(yùn)動(dòng)方向與被檢磁場(chǎng)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(shí) 應(yīng)努力減少磁阻效應(yīng)的影響，而制造磁阻器件時(shí)努力避免霍爾效應(yīng)（在計(jì)算公式中，互為非線性項(xiàng)）。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(bào)導(dǎo)磁阻器件的響應(yīng)速度同霍爾1uS量級(jí)。

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(duì)供電電源的穩(wěn)定性及內(nèi)部噪聲要求高低有所不同。

磁敏器件（單元）體積問(wèn)題：

在磁敏元件作為檢測(cè)磁場(chǎng)而設(shè)計(jì)和制造的 ，一般檢測(cè)的概念是：測(cè)量磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁性。作為點(diǎn)的定義在幾何學(xué)中是無(wú)限小的。在磁場(chǎng)檢測(cè)中，由于磁場(chǎng)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(cè)磁場(chǎng)面積相比也應(yīng)該是越小越準(zhǔn)確。在磁場(chǎng)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(chǎng)測(cè)量與多級(jí)磁體的檢測(cè)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(chǎng)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(guó)外專(zhuān)家技術(shù)交流中得知，1999年俄羅斯專(zhuān)家說(shuō)他們制成了體積0 .6mm得探頭（是幾個(gè)研究所合作搞成的）。美國(guó)也有相應(yīng)的產(chǎn)品，售價(jià)約70美元一只。是否是目前最高水平，未見(jiàn)其它報(bào)導(dǎo)。

國(guó)外磁敏傳感器的現(xiàn)狀

1.國(guó)外磁傳感器的常見(jiàn)種類(lèi) 就市場(chǎng)占有情況來(lái)看,國(guó)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(guó) HONeywell 公司;美國(guó) Allogro 公司. 磁阻器件:日本 SONY 公司;荷蘭 PHILIPS 公司.

3.國(guó)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(wú)接觸測(cè)量.

霍爾元件: 磁場(chǎng)測(cè)量,做高斯計(jì)(特斯拉計(jì))的檢測(cè)探頭. 電流檢測(cè),做電流傳感器/變送器的一次元件. 直流無(wú)刷電機(jī),用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并提供激勵(lì)信號(hào). 集成開(kāi)關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)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(zhǎng)距離位移測(cè)量. 角位移傳感器,主要用語(yǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量,廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè).

脈沖發(fā)訊傳感器,主要用于流量檢測(cè)和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量,如電子水表和流量計(jì)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(chǎng)檢測(cè),主要用于偽鈔識(shí)別 脈沖測(cè)量,主要用于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量

國(guó)內(nèi)磁敏傳感器的現(xiàn)狀

1.國(guó)內(nèi)磁傳感器的常見(jiàn)種類(lèi)及其特點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)磁敏傳感器經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展,就基礎(chǔ)器件的研究與開(kāi)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(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水 平相當(dāng).市場(chǎng)上應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)磁敏傳感器件的種類(lèi)也與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng),依然是霍爾元件,磁阻 元件.

2.國(guó)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(yáng)儀表科學(xué)研究院,南京中旭微電子公司. 磁阻器件:沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院(匯博思賓尼斯公司)

3.國(guó)內(nèi)磁傳感器的應(yīng)用情況 電流傳感器:國(guó)內(nèi)包括沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院(思賓尼斯公司) ,西南自動(dòng)化所等二, 三十家大小不同的企業(yè)在生產(chǎn)和銷(xiāo)售電流傳感器/變送器,其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)白熱化.該領(lǐng)域 是國(guó)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(wú)刷電機(jī)領(lǐng)域:InSb 霍爾元件為主,主要用于直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè),并提供定子線圈電流換向的激勵(lì)信號(hào). 目前年需求量在幾億只. 價(jià)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(guó)內(nèi)目前未形成工業(yè)化生產(chǎn). 流量計(jì)量領(lǐng)域:用于電子水表,電子煤氣表,流量計(jì)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(yáng)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(chǎng)空間可觀. 該領(lǐng)域是磁敏傳感器國(guó)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(chǎng)成長(zhǎng)期. 專(zhuān)用測(cè)量?jī)x表:高斯計(jì),用于磁場(chǎng)檢測(cè),在磁性材料生產(chǎn)及應(yīng)用方面用量較多,國(guó) 內(nèi)有沈陽(yáng)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(jì) 已經(jīng)批量出口美國(guó). 另外,國(guó)內(nèi)的磁敏傳感器在轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量,偽鈔識(shí)別等領(lǐng)域,也均有應(yīng)用,但沒(méi)有形 成規(guī)模.孫仁濤教授提到,目前國(guó)內(nèi)磁敏傳感器沒(méi)有進(jìn)入汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域,可謂一大遺憾.

磁敏傳感器中，霍爾元件及霍爾傳感器的生產(chǎn)量是最大的。它主要用于無(wú)刷直流電機(jī)（霍爾電機(jī)）中，這種電機(jī)用于磁帶錄音機(jī)、錄像機(jī)、XY記錄儀、打印機(jī)、電唱機(jī)及儀器中的通風(fēng)風(fēng)扇等。另外，霍爾元件及霍 爾傳感器還用于測(cè)轉(zhuǎn)速、流量、流速及利用它制成高斯計(jì)、電流計(jì)、功率計(jì)等儀器。

磁敏傳感器是傳感器產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分, 隨著我國(guó)磁敏傳感器技術(shù)的發(fā)展, 其產(chǎn)品 種類(lèi)和質(zhì)量將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展和提高, 進(jìn)軍汽車(chē), 民用儀表等這些量大面廣的應(yīng)用領(lǐng)域即 將實(shí)現(xiàn).國(guó)產(chǎn)的電流傳感器,高斯計(jì)等產(chǎn)品日前已經(jīng)開(kāi)始走入國(guó)際市場(chǎng),與國(guó)外產(chǎn)品的差距 正在快速縮小。

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(kāi)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(kāi)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(pán)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用.通過(guò)外延技術(shù),形成異質(zhì)結(jié)構(gòu),提高 磁敏器件的性能.?

零功耗磁敏傳感器正是利用韋根效應(yīng)研制開(kāi)發(fā)出的磁敏傳感器，它由兩部分組成:1、敏感合金絲;2、繞于合金絲外的檢測(cè)線圈。當(dāng)被測(cè)磁體與傳感器之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，合金絲上作用有適當(dāng)?shù)耐獯艌?chǎng)，內(nèi)芯磁化跳變，檢測(cè)線圈便會(huì)輸出感生電壓脈沖。因此可以用此電壓脈沖檢測(cè)磁體的運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用于間接測(cè)量多種物理量的儀表，如:流量計(jì)、三表(水表，氣表，熱能表)、轉(zhuǎn)速計(jì)、轉(zhuǎn)角檢測(cè)器、無(wú)源脈沖發(fā)生器、無(wú)觸點(diǎn)限位開(kāi)關(guān)等等。

AH型零功耗磁敏傳感器的性能特點(diǎn)是:

1、傳感器工作時(shí)不要外部電源，完全從被測(cè)物體獲取能量(數(shù)量級(jí)0.1μW);

2、輸出信號(hào)歸屬本質(zhì)安全型;

3、觸發(fā)方式簡(jiǎn)單;

4、工作溫區(qū):-50°C ~ +180°C甚至更寬;

5、輸出信號(hào)有明顯個(gè)性，不怕外界干擾;

6、傳感器有極寬的工作頻率，信號(hào)特征與待測(cè)物體(磁體)運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān);

7、傳感器信號(hào)特點(diǎn)，可顯示待測(cè)物體(磁體)運(yùn)動(dòng)的方向;

8、原始信號(hào)傳輸能力強(qiáng)，每公里只有2%的衰減;

9、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性極高;

10、使用壽命不低于20億次;

11、無(wú)機(jī)械構(gòu)件，無(wú)觸點(diǎn)，抗震蕩;

12、檢測(cè)方便，通過(guò)二根輸出引線可進(jìn)行傳感器檢測(cè);

13、對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度有一定要求，過(guò)高或者過(guò)低的磁場(chǎng)都會(huì)影響其工作;

14、信號(hào)處理簡(jiǎn)單，可直接連接三極管、絕對(duì)值放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC)等。

1974年美國(guó)物理學(xué)家韋根特就發(fā)現(xiàn):經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理過(guò)的合金絲的金相會(huì)發(fā)生變化，其外殼矯頑力比內(nèi)芯矯頑力大得多，依靠這種磁性的差異及一定的外加磁場(chǎng)條件，可以使內(nèi)芯的磁化方向與外殼的磁化方向相同或相反，而且用確定的外磁場(chǎng)可以重復(fù)這種磁化改變。這種現(xiàn)象被稱(chēng)作"韋根效應(yīng)"。