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一文讀懂磁傳感器
專欄：技術支持
發(fā)布日期：2018-02-01
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我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針 ，可謂是無人不知啊 ，對于現(xiàn)代傳感器技術來講 ，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了 。而在當今的電子時代 ，磁傳感器在電機 、電力電子技術、汽車工業(yè) 、工業(yè)自動控制 、機器人、辦公自動化 、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應用。磁傳感器磁傳感器是一種把磁場 、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。用于感測速...
我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對于現(xiàn)代傳感器技術來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。 而在當今的電子時代，磁傳感器在電機、電力電子技術、汽車工業(yè)、工業(yè)自動控制、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應用。 磁傳感器 磁傳感器是一種把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。用于感測速度 磁傳感器市場按照技術進步的發(fā)展，主要分為四大類： 霍爾效應（Hall Effect）傳感器、 各向異性磁阻（AMR）傳感器、 巨磁阻（GMR）傳感器 隧道磁阻（TMR）傳感器 其中，霍爾效應傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應用。隨著持續(xù)的技術研發(fā)，各種磁傳感器誕生，并擁有更優(yōu)異的性能、更高的可靠性。 霍爾效應（Hall Effect）傳感器 1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應。但因金屬的霍爾效應很弱而一直沒有實際應用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導體的霍爾效應比金屬強很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。 在半導體薄膜兩端通以控制電流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，電場強度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個現(xiàn)象叫做霍爾效應 霍爾電壓U與半導體薄膜厚度d，電場B和電流I的關系為U=k(IB/d) 霍爾效應示意圖 霍爾傳感器利用霍爾效應的原理制作，主要有霍爾線性傳感器 1. 線性型霍爾傳感器 由霍爾元件 線性型霍爾傳感器工作原理 霍爾線性器件擁有很寬的磁場量測范圍，并能識別磁極。其應用領域有電力機車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測光伏匯流箱實時輸出電流的作用、電動機保護等 2. 開關型霍爾傳感器 由穩(wěn)壓器 開關型霍爾傳感器工作原理 霍爾開關器件無觸點、無磨損 3. 磁力計 是利用霍爾效應產(chǎn)生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性 但這樣設計的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator） 圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖 圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖 磁力計廣泛應用于智能手機、平板電腦和導航設備等移動終端 各向異性磁阻（AMR）傳感器 某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化 1857年 當外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的 坡莫合金的AMR效應 磁阻變化值與角度變化的關系 薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的 AMR磁傳感器的基本結構由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb AMR磁阻傳感器等效電路 各向異性磁阻（AMR）技術的優(yōu)勢有以下幾點： 1. 各向異性磁阻（AMR）技術最優(yōu)良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應用來說，具有廣大的運作空間，無需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。 2.各向異性磁阻（AMR）技術是唯一被驗證，可以達到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導體工藝技術。其他可達到同樣精度技術都是無法與半導體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。 3.AMR技術只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設備，具有成本優(yōu)勢。 4.AMR技術具有高頻、低噪和高信噪比特性 AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量 巨磁阻（GMR）傳感器 與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因為GMR效應的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應和AMR效應晚了100多年。 1988年，德國科學家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。 一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構成的多層膜，在室溫下可以達到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應的命名緣由 GMR和AMR在外加磁場下電阻率變化示意圖 “巨”（giant）來描述此類磁電阻效應，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機理不同。常規(guī)磁電阻源于磁場對電子運動的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強度和電流的相對取向有關。相反，GMR磁阻呈各向同性 巨磁阻效應僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向 GMR效應的首次商業(yè)化應用是1997年，由IBM公司投放市場的硬盤數(shù)據(jù)讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標準技術。 GMR傳感器的材料結構 具有GMR效應的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結合氧化物、超巨磁電阻薄膜等五種材料。其中自旋閥型多層膜的結構在當前的GMR磁阻傳感器中應用比較廣泛。 自旋閥主要有自由層（磁性材料FM），隔離層（非磁性材料NM），釘扎層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結構。 自旋閥GMR磁阻傳感器基本結構 GMR磁阻傳感器由四個巨磁電阻構成惠斯通電橋結構，該結構可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個界面為高阻態(tài)，一個界面為低阻態(tài)，自旋的傳導電子可以在晶體內(nèi)自由移動 而當相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后 平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖 GMR磁阻傳感器商業(yè)化時間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器 隧道磁阻（TMR）傳感器 早在1975年 2001年，Butler和Mathon各自做出理論預測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體 TMR元件在近年才開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器 TMR磁阻傳感器的材料結構及原理 從經(jīng)典物理學觀點看來 當兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反 可以看出 TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型 TMR元件在近年才開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器 下表是霍爾元件 霍爾元件 作為GMR元件的下一代技術 磁傳感器的發(fā)展,在本世紀70～80 年代形成高潮 磁傳感器的應用十分廣泛 |
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