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一文讀懂磁傳感器
專欄：技術(shù)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(shù)來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了 。而在當(dāng)今的電子時代 ，磁傳感器在電機(jī)、電力電子技術(shù) 、汽車工業(yè) 、工業(yè)自動控制、機(jī)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(yīng)用。磁傳感器磁傳感器是一種把磁場 、電流 、應(yīng)力應(yīng)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(yīng)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 而在當(dāng)今的電子時代 磁傳感器 磁傳感器是一種把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度 磁傳感器市場按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展 霍爾效應(yīng)（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(yīng)（Hall Effect）傳感器 1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng) 在半導(dǎo)體薄膜兩端通以控制電流 I 霍爾電壓U與半導(dǎo)體薄膜厚度d 霍爾效應(yīng)示意圖 霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)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、線性放大器和射極跟隨器組成 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 2. 開關(guān)型霍爾傳感器 由穩(wěn)壓器 開關(guān)型霍爾傳感器工作原理 霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損 3. 磁力計 是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性 但這樣設(shè)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 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(yīng)用于智能手機(jī) 各向異性磁阻（AMR）傳感器 某些金屬或半導(dǎo)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，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對于有各向異性特性的強(qiáng)磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。 當(dāng)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；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖 坡莫合金的AMR效應(yīng) 磁阻變化值與角度變化的關(guān)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，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實現(xiàn)輸出的線性特性。 AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉(zhuǎn)動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。 AMR磁阻傳感器等效電路 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾點： 1. 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)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(yīng)用來說，具有廣大的運作空間 2.各向異性磁阻（AMR）技術(shù)是唯一被驗證，可以達(dá)到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達(dá)到同樣精度技術(shù)都是無法與半導(dǎo)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(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢。 4.AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應(yīng)用中尚無局限性。 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，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機(jī)中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機(jī)、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。 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(yīng)的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應(yīng)和AMR效應(yīng)晚了100多年。 1988年，德國科學(xué)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(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學(xué)家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn) 一般的磁鐵金屬 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(yīng)，并非僅來自表觀特性 巨磁阻效應(yīng)僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業(yè)只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應(yīng)更重要的意義是為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學(xué)（Spintronics）以及新的傳感器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 GMR效應(yīng)的首次商業(yè)化應(yīng)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(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 GMR傳感器的材料結(jié)構(gòu) 具有GMR效應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)在當(dāng)前的GMR磁阻傳感器中應(yīng)用比較廣泛。 自旋閥主要有自由層（磁性材料FM） 自旋閥GMR磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu) GMR磁阻傳感器由四個巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu) 而當(dāng)相鄰磁性層磁矩反平行分布 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 TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用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)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率 TMR磁阻傳感器的材料結(jié)構(gòu)及原理 從經(jīng)典物理學(xué)觀點看來 當(dāng)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，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對取向 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(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器 下表是霍爾元件、AMR元件 霍爾元件 作為GMR元件的下一代技術(shù)，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件 |
