磁傳感器知識(shí)介紹

1、磁傳感器知識(shí)介紹整理：機(jī)械5801磁傳感器概念磁傳感器是一種把磁場(chǎng)、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(hào)，以這種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件。用于感測(cè)速度、運(yùn)動(dòng)和方向，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、無(wú)線和消費(fèi)電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。磁傳感器市場(chǎng)按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類：1.霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器2.各向異性磁阻（AMR）傳感器3.巨磁阻（GMR）傳感器4.隧道磁阻（TMR）傳感器2霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器在半導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，半導(dǎo)體中的電子與空穴受到不同方向的

2、洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個(gè)現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢(shì)差，稱為霍爾電壓U?；魻栯妷篣與半導(dǎo)體薄膜厚度d，電場(chǎng)B和電流I的關(guān)系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數(shù)，與半導(dǎo)體磁性材料有關(guān)。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、霍爾開(kāi)關(guān)和磁力計(jì)三種。3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，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，在B1B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。4開(kāi)關(guān)型霍爾傳感

3、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(jí)組成，它輸出數(shù)字量。5開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器工作原理霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高，工作溫度范圍寬，可達(dá)-55150。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過(guò)一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，則完成了一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出數(shù)字信號(hào)，可以計(jì)算汽車或機(jī)器轉(zhuǎn)速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機(jī)車的自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、門(mén)禁和防盜報(bào)警器、自動(dòng)販賣(mài)機(jī)、打印機(jī)等。6磁力計(jì)是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差來(lái)測(cè)算外界磁場(chǎng)的大小和極性。磁力計(jì)是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對(duì)一般IC更為簡(jiǎn)單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件

4、，通過(guò)金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調(diào)節(jié)處理器等）相連。但這樣設(shè)計(jì)的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場(chǎng)變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來(lái)講就是做原來(lái)的管芯上增加一層坡莫合金，可探測(cè)平行于管芯方向的磁場(chǎng)。由此，霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計(jì)的跨越式發(fā)展。7各向異性磁阻（AMR）傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)1.各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場(chǎng)范圍是以地球磁場(chǎng)為中心，對(duì)于以地球磁場(chǎng)作為基本操作空間的傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有廣大的運(yùn)作空間，無(wú)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(shù)是唯一被驗(yàn)證，可以達(dá)到在地

5、球磁場(chǎng)中測(cè)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(wú)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(jiǎn)單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢(shì)。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(wú)局限性。AMR磁阻傳感器可以很好地感測(cè)地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的弱磁場(chǎng)測(cè)量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開(kāi)關(guān)，隔離開(kāi)關(guān)，用來(lái)檢測(cè)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(pán)，計(jì)算機(jī)中的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(cè)量、偏航速率傳感

6、器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。8巨磁阻（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），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(jié)構(gòu)。9自旋閥GMR磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu)GMR磁阻傳感器由四個(gè)巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當(dāng)相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個(gè)FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個(gè)界面為高阻態(tài)，一個(gè)界面為低阻態(tài)，自旋的傳導(dǎo)

7、電子可以在晶體內(nèi)自由移動(dòng)，整體上器件呈現(xiàn)低阻態(tài)；而當(dāng)相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過(guò)磁矩取向與其自旋方向相同的一個(gè)磁層后，遇到另一個(gè)磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用，沒(méi)有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現(xiàn)高阻態(tài)。10隧道磁阻（TMR）傳感器材料結(jié)構(gòu)及原理從經(jīng)典物理學(xué)觀點(diǎn)看來(lái)，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)電子在磁層中的穿通，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當(dāng)兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時(shí)器件為低阻狀態(tài)；當(dāng)兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好