磁性傳感器的分類及行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域介紹

磁性材料在感受到外界的熱、光、壓力、放射線等之后，其磁特性會改變。利用這種物質(zhì)可以做成各種可靠性好，靈敏度高的傳感器，這類傳感器是利用磁性材料作為其敏感元件，故稱磁性傳感器。在如今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(gè)方面得到了廣泛的運(yùn)用。今天將主要介紹霍爾元件、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，并簡要概述在行業(yè)領(lǐng)域中的應(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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)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(shí),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(shí)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(jì)算機(jī)的磁盤驅(qū)動(dòng)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(shí)比在無外磁場作用時(shí)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(shí)，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(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，此時(shí)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(shí)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(dòng)器讀出磁頭，大幅提高了硬盤驅(qū)動(dòng)器的記錄密度。TMR集AMR的高靈敏度和GMR的寬動(dòng)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(fèi)電子、汽車領(lǐng)域等方面。

磁性傳感器的應(yīng)用——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(diǎn)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?！钡幕喯到y(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。

磁性傳感器的應(yīng)用——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(gè)小型封裝中使用霍爾效應(yīng)IC，也可以在封裝中包含一個(gè)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(dú)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。

磁性傳感器的應(yīng)用——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(yùn)動(dòng)、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。

磁性傳感器的應(yīng)用——消費(fèi)電子

磁性傳感器在消費(fèi)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(gè)亮點(diǎn)。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。

磁性傳感器的應(yīng)用——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 黃宇