磁性传感器及其应用.doc

磁性传感器及其应用0 前 言 磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场，可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。早先的磁传感器，是伴随测磁仪器的进步而逐步发展的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电讯号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁传感器。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量，转换成可与计算机兼容的讯号，作为它们的输入讯号，这就给磁传感器的快速发展提供了机会，形成了相当可观的磁传感器产业。1 发展简况自从磁传感器作为一种独立产品进入应用以来，迄今，从T的人体弱磁场到高达25T以上的强磁场，都可以找到相应的传感器进行检测。磁传感器的发展，在本世纪7080年代形成高潮。90年代是已发展起来的这些磁传感器的成熟和完善的时期。目前已形成磁传感器的主要类型。(1)集成电路技术的应用。将硅集成电路技术用于磁传感器，开始于1967年。H。neLWell公司Micr。switch分部的科技人员将Si霍尔片和它的讯号处理电路集成到一个单片上，制成了开关电路、首开单片集成磁传感器之先河。目前，已经出现厂磁敏电阻电路、巨磁阻电路等许多种功能性的集成磁传感器。(2)InSb薄膜技术的开发成功，使InSb霍尔几件产量大增，成本大幅度下降。最先运用这种技术获得成功的日本旭化成电子公司，如今可年产5亿只以上。(3)强磁性合金薄膜。1975年面市的强磁合金薄膜磁敏电阻器利用的是强磁合金薄膜中的磁敏电阻各向异性效应。在与薄膜表面平行的磁场作用下、以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻宰吴现出2一5的变化。利用这种效应已制成三端、四端磁阻器件。四端磁阻桥已大量用于磁编码器中，用来检测和控制电机的转速。此外，还作成了磁阻碰强计、磁阻读头以及二维、三维磁阻器件等。它们可检测弱磁场，灵敏度高、温度稳定性好，将成为磁场传感和检测的重要器件。(4)巨磁电阻多层膜。由不同金属、不同层数和层间材料的不问组合，可以制成不同的机制的巨磁电阻磁传感器。它呈现出的随磁场而变化的电阻率，比单层的各向异性磁敏电阻器的要高出几倍、正受到研制高密度记录磁盘读出头的科技人员的极大关注。目前已见有5C字节的白族闷头的设计分析的报导(5)各种不同成分和比例的非晶合金材料的采用，及其各种处理工艺的引入，给磁传感器的研制注入新的活力，已研制和生产出了双芯多谐振荡桥磁传感器、非晶力矩传感器、压力传感器、热磁传感器、非晶大巴克豪森效应磁传感器等。最近发现的巨磁感应效应(giant magneto 6nguctive etlect)和巨磁阻抗效应(giant magnetoimpedance effect)，比巨磁电阻的响应灵敏度高一个量级，可能做成磁头、成为高密度磁盘读头的有力竞争者。利用非晶合金的高导磁率特性和做成细丝的机械特性，将它们用于磁通门和威根德等器件中，取代坡莫台金芯，使器件性能得到大大的改善。(6) IIIV族半导体异质结构材料。例如，在InP衬底上用分子束外延技术，形成假晶结构，产生二维电子气层，其层厚是分子级的，这种材料的能带结构发生改变；用这种材料来制作霍尔元件、其灵敏度高于市售的In轨和GaAs元件，在296K时为225VT，灵敏区的温度系数也有大的改善，用恒定电流驱动时，为00084K.用这种材料，除可制造霍尔器件外，还可用以制造磁敏场效应管、磁敏电阻器等。在国外，由于磁传感器已逐渐被广泛而大量地使用，有许多企业竞相研制和生产，形成一定规模的磁传感器产业。霍尔器件是半导体磁传感器中最成熟和产量最大的产品。旭化成(InSb霍尔元件)、Honeywell、A11egro(原称Sprague)、ITT、Semens(霍尔电路)等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金届膜磁敏电阻器及集成电路。TDK、Sony、Matsusbita、Tosbiba等巳批量生产非晶磁头等非晶金属磁传感器。还有LEM、Honeywell、F.WBell、NaNa等公司生产厂各种用途和量程的电流、电压传感器和其它类型的磁传感器组件，这些磁传感器都巳得到广泛的应用。国内，除南京中旭微电子公司可大量生产霍尔集成电路、营口华光传感元件厂可批量生产薄膜磁阻器件、西南应用磁学研究所可批量生产威根德器件外，其余各类也有研制和小批量生产。据方芳预测：1995年，国内有41家企业生产磁传感器，总产量为2780万只.其中，霍尔器件1730万只，结型磁敏元件90万只，磁电阻元件850万只，威根德元件110万只.虽然其余各种磁传感器都有厂、所、校在进行研制，品种基本齐全，但仍末形成规模化产业。2 磁传感器介绍21 薄膜磁致电阻传感器铁磁性物质在磁化过程中，它的电阻值沿磁化方向将增加，并达到饱和的现象称为磁阻效应。薄膜磁阻元件是利用薄膜工艺和微细加工技术，将NiPe。NiCo合金用真空蒸镇或溯射工艺沉积到硅片或铁氧体基片上，通过微细加工技术制成一定形状的磁咀图形，形成三端式、四端式以及多端式器件。BMber结构桥式电路磁阻元件具有灵敏度高、工作频率特性好、温度稳定性好、结构简单、体积小等特点。可制成高密度磁咀磁头、磁性编码器、磁阻位移传感器、磁阻电流传感器等。薄膜磁阻传感器特性1、在弱磁场下，与半导体磁敏元件相比有较高的灵敏度；2、具方向性，当外加磁场平行于薄膜时，器件灵敏度最大，而垂直于薄膜平面时，灵敏度最小。此特性可用来检测外加磁场大小和方向，如磁性编码器。3、饱和特性，磁阻元件阻值随外加磁场强度增大而增加，当外加磁场强度大于饱和磁场强度时，其阻值不再增加并达到饱和，利用该特性检测磁场方向的变化，如0PS导航系统、地磁场角度的变化等。4、具较宽工作频率特性和倍频特性5、宽工作温度范围、较低温度系数薄膜磁阻电流传感器的电流输入检测端和信号输出端隔离，无任何电联系，具有灵敏度高、线性度优良、结构阉单、体积小、双列直括IC封装等特点。簿膜磁阻电流传感器特别适用于电度表、仪器仪表、充电器和UPS电源系统等电流检测和控制，具精度高、线性好、便于小型化。磁阻电流传感器，可用于大功率器件1GBT过载和短路的保护，具反应快，温度特性好等优点。薄膜磁阻元件是一种新型的磁性传感器，具有灵敏度高、温度特性好、频率特性好等优点，其开发应用的潜力是巨大的，应用领域是相当广阔的。其中磁阻电流传感器是一种最新的应用，与霍尔电流传感器相比，具精度高、线性好、温度特性好、反应快、结构简单、体积特小、价格低廉等特点，是一种适应于各种领域、不可多得的新颖的电流传感器22 磁阻敏感器物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钻、镍及其合金等强磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内磁化方向时，此类金属的电阻值将减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。新型磁阻传感器在地磁场测量中的应用。地球本身具有磁性，所以地球及近地空间存在着磁场，叫做地磁场。地磁场数值较小，其强度与方向也随地点而异。但在直流弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响。地磁场作为一种重要的天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等科研中也有着重要用途。 通常用三个参量来表示地磁场的方向和大小：(1)磁偏角，即地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量B所在的垂直平面(地磁子午面)与地理子午面之间的夹角；(2)磁倾角A，即地磁场磁感应强度矢量B与水平面之间的夹角；(3)地磁场磁感应强度的水平分量，即地磁场磁感应强度矢量B在水平面上的投影。测量了地磁场的这三个参量，就可确定某一地点的地磁场磁感应强度B矢量的大小和方向。以前一般采用正切电流计来测定地磁场的水平分量Ltj，由于仪器体积大，操作步骤繁琐，测量误差较大，且用磁针或冲击电流计测量不能非电量电测，此法在科研中已不太应用。利用新型的磁阻传感器(Hh4C1021z型)直接测定地磁场的磁倾角A和磁感应强度B及水平分量的大小，并求出其垂直分量5的大小，取得了较为精确的实验结果。这种磁阻传感器磁场，可检测到低至85109T的磁场，且体积小、灵敏度高、易安装，在测量弱磁场方面具有广泛的府用前景2.3电涡流式传感器近年来，国内外正发展对建立在电涡流效应原理上的传感器，即电涡流式传感器。这种传感器不但具有测量线性范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响等优点，而且又具有无损、非接触测量的特点，目前正广泛地应用于工业各部门中的位移、尺寸、厚度、振动、转速h压力、电导率、温度、波面等测量，以及探测全属材料和加工件表面裂纹及缺陷。20世纪40年代至50年化德国的Reutique研究所和美国的Bently Nevada公司相继研制和生产了电涡流传感器和笆型么医邑并把它应用于测里位移、振动、电导串等。此后，日本不少研究所和公司也研制和生产出了许多不同用途的电涡流传感器和检测仪表。目前国外很多国家生产的动力机械的监护系统中已采用了电涡流传成器。我国研制和生产电涡流传感器及检测仪表的历史不过十亲年，当一些产品研制出来后，很快被工业部门采用。例如，电力部门用电涡流式位移振幅测量仪测量汽轮机主轴的轴向位移和径向振动；冶金工业部门用电涡流测厚仪团量金属板树的厚度。地震部门把电祸流传感器做成能测量连通营中液面的仪器来预报地震，军工部门用电涡流传盛器来测量某些运动体的轨迹等。由此可见，电涡流检测技术是一种很有生命力的新兴的检测技术.2.4磁性液体加速度传感器磁性液体作为一种新型的纳米功能材料，一经问世便走到科学技术发展的前沿，目前科学家们已经将这种新型功能材料应用到广阔的领域中。以此为基础的磁性液体传感器技术也引起了国际技术领域广泛的关注。从目前国外资料来看，国外比较早地意识到开发磁性液体传感器技术的意义。早在1983年美国新墨西哥州阿尔帕克基应用技术公司就与美国空军签订了合同，该公司便开始研制基于磁性液体动力学原理（Magneto hydrodynamics.或简称MHD）的主动式和被动式传感器，并积极致力于磁性液体传感器的应用领域的开发5。该美国公司研制出一系列用以测量冲击、振动以及运动的传感器，并已将其用于计算机磁盘驱动器、汽车特性测试系统。俄罗斯、德国、日本、罗马尼亚等国也随之进行了相关的研究，并取得一定程度上的进展，目前这些国家在磁性液体传感器方面，从基本原理到研究模型再到试验，进而到产品设计制造，形成了一套比较系统的理论。美国、日本、罗马尼亚等国家还在该课题上取得了一些发明专利。国外生产的磁性液体加速度传感器的应用领域十分广泛，车载仪表、高精度兵器、科研仪表、航空航天等等很多地方都有这些传感器的应用场合，而且更多的应用却是处在国防军事领域，用来解决苛刻条件下的测试问题。11 目前国内刚刚兴起磁性液体技术的研究，磁性液体加速度传感器技术在国内尚未见到公开性的报道材料。而国内的在某些领域尤其是军事领域对磁性液体加速度传感器的需求量是很大的，因此为了提高科研实践水平，为了赶上国外先进技术发展的步伐，对磁性液体加速度传感器技术进行研究是十分必要的。2.5磁性液体水平传感器磁性液体传感器的研究与应用起源于美国。早在1983年美国新墨西哥州阿尔帕克基应用技术公司就与美国空军签订了合同，美国新墨西哥州阿尔帕克基应用技术公司便开始研制基于磁性液体动力学原理（MHD）的主动式和被动式传感器。磁性液体传感器应用领域很广，既可以应用到民用上，也可以应用到军工上，有其它传感器所代替不了的功能，正因如此，国外比较早的意识到开发磁性液体传感器的意义，并且已开始了研究和生产，并将该种传感器应用到航空、航天、宇航站等尖端军事领域。美国、法国、德国、俄罗斯、日本和罗马尼亚等国家已开始利用磁性液体来制作各种传感器。磁性液体水平传感器对控制机器人工作状态，使太阳能栅板保持朝向太阳，使抛物天线持续朝向通讯系统中的人造卫星等方面有着重要的应用。目前国外已研制出单轴、双轴、三轴等类型的磁性液体水平传感器，而我国有关磁性液体传感器的研究尚处于实验和探索阶段。 总而言之，由于磁性液体的独特性能，使得磁性液体水平传感器灵敏度高、精度高、体积小、耐冲击性能好，不需要其它特殊材料。这些特性正是传统的传感器不可比拟的，也是实际应用对传感器的要求。国外的研究数据及产品应用实际性能指标都证实了磁性液体水平传感器的这些特点。由于基于磁性液体原理的传感器相当一部分应用于军事领域，解决苛刻条件下的测试问题，因此，公开材料报道很少。 3 磁传感器的产业性应用磁传感器已经在许多领域获得了产业性的应用，每年所需用的磁传感器的总数量以十亿计。仅就日本电子工业振兴协会1992年的统计，1992年共用磁传感器1108亿只，其中，64为霍尔器件，主要用于无刷直流电机，32为磁头，其余的4用于其它领域。所用的各种磁传感器的数量在各类传感器中居于首位。31 电 机 无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、调速方便、维护少、寿命长、不产生电磁干扰等一系列优点，年需求量数以亿计。据统计，日本1989年无刷电机的年产量已超过16亿台。在无刷电机中，用磁传感器来作转子磁极位置传感器和定子电枢电流换向器。许多磁传感器，如霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但目前大量使用的，主要是霍尔器件。1992年，由泡特公司研制的大功率直流无刷电机问世，功率可达200kW以上。电机的转速检测和控制用的旋转编码器，过去多用光编码器。磁编码器的使用显示出越来越多的优点，正在逐渐取代光器件。1990年日本的磁编码器的年销售额已逾250亿日元。使用磁传感器还可以对电机进行过载保护(目前主要用霍尔电流传感器)和对电机进行转矩检测。3.2 电力电子技术 电力电子技术是电力技术和电子技术的结合，可实现交直流电流的互相变换，并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。采用这些技术和产品，可做成各种特殊电源，(如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等)和交流变频器等产品。(交流变频器用于电机调速，节能效果极瘩)；这些变流装置的核心，是大功率半导体器件。以磁传感器为基础的各种电流传感器被用来监测、控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快，且依靠磁场和被控电路精合，不接入主电路、因而功耗低，抗过载能力强，线性好，可靠性高，既可作为大功率器件的过流保护驱动器，又可作为反馈器件，成为自控环路的一个控制环节。使用变流技术可以大量节能，目前国外使用的电能95是经过变换来使用的，国内变流技术已受到高度重视，但仅5的电能经过变换，有巨大的应用前景。此中，可能吸纳大量的电流传感器，是磁传感器的又一巨大的产业性应用领域。3.3 能源管理电网的自动检测系统需采集大量的数据，经计算机处理之后，对电网的运行状况实施监控，并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节，都可用以磁传感器为基础的电流传感器，互感器等来实施。目前霍尔电流传感器已逐步在电网系统中得到应用。用霍尔器件作成的电度表已从研制逐步转向实用化.用它们可自动计费并可显示功率因数，以便随时进行调整，保证高效用电。34 磁信息读写磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外，还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记等等，对磁信息存储和读出传感器提出了巨大的需求。日本1992年使用的磁头就巳超过3亿只。目前，感应头，薄膜磁阻头，非晶磁头等都获得了大量的使用.随着记录密度的提高，例如高到100G字节，需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻头、用非晶合金丝制作的非晶合金头、巨磁阻抗头等正展开激烈的竞争。 信息产业还给非晶MancMcci效应的新型文字图形输入装置(Tablet)提供厂广阔的应用前景。IBM预计，在2000年前，个人机的主力机种是笔输入个人机(PenPc)，并宣布要开发这种机型，将传统的个人机的键盘除去。将有透明感的Tablet面紧靠在液晶电极面上作输入装置，用励碰笔进行文字图形输入，MattEMc么效应非晶TaNet被认为是Tablet的最佳选择.3.5 汽车工业 在汽车中，使用大量的电机(高级汽车每辆约需4060台电机，一般汽车中也有15台，这些电机也呈现出元刷化的趋势)，其中使用磁传感器的数量之大，自不待言。 第二个大量使用磁传感器的汽车装置，是汽车的AE曙(防抱制动系统)。平均每台车要使用46只速度传感器、目前使用的主要是感应式速度传感器.新型的霍尔齿轮传感器在逐步推广，此外，威氏器件、非晶器件、磁阻器件等均可能进入这一领域.第三是汽车发动机系统点火定时用的速度传感器及点火器.目前，这些方面也主要使用感应传感器。霍尔齿轮传感器和霍尔翼片开关已经在一些车型中使用.据霍尼威尔公司报导、截止1996年6月、他们已向汽车工业供应了8000万只霍尔冀片开关和3凹万只霍尔齿轮速度传感器。据预测，未来在一辆汽车中，可用30多只像霍尔传感器那样的磁传感器。36 工业自动控制、机器人、办公自动化、家用电器及各种安全系统等 在这些领域中、除大量使用无刷直流电机，交流变频器等之外、在电冰箱、空调器、电饭堡等装置中，使用了大量的磁性温度控制器，在80年代中期已经超过亿只。4 关于磁传感器产