常见磁传感器及原理和应用

1、常见磁传感器及原理和应用,磁通：垂直于某一面积所通过的磁力线的条数，用表示，单位韦伯（Wb）。磁感应强度：表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量，单位是特斯拉（T）或高斯（Gs）用符号B表示。磁感应强度也叫磁通密度。磁场强度：将不同的物质放入磁场中，对磁场产生的影响是不同的。不同的物质在外磁场的磁化作用下将产生不同的附加磁场，此种附加磁场又必然反过来影响外磁场。外磁场通常是由电流产生，为了反应外磁场和电流之间的关系，引入一个辅助矢量磁场强度，用H表示。它也是用来表征磁场中各点的磁力大小和方向的物理量。它的大小仅与产生该磁场的电流大小和载流导体形状有关，单位安培/米(A/m)。H=(B/o)-M

2、式中B是磁感应强度；M是磁化强度；o是真空磁导率。在线性各向同性磁介质中，M与H成正比，即MxmH，xm是磁介质的磁化率。于是上式表为Bo（1xm）HorH式中r1xm称为磁介质的相对磁导率。,基本概念,磁学量的单位,CGSE，又称静电单位制（electrostaticunits）简称ESU基本量为长度、质量和时间。基本单位为cm、g和s。通过库仑定律，并令k1确定电荷单位，库仑。电场强度E、极化强度P和电位移D量纲都相同。安培环路定律和法拉第电磁感应定律分别确定磁感应强度B和磁场强度H，量纲不同，真空中也不相等，真空磁导率0=1/c2。CGSM，又称电磁单位制（electromagnetic

3、units）简称EMU，CGSM制的基本量和基本单位与CGSM制的一样，但是确定电磁量单位的物理公式不同。它是通过安培-毕奥-萨伐尔定律并令K=1确定电流单位，D和E具有不同的量纲，真空介电常数0=1/c2。但B和H的单位相同，但通常B的单位称为高斯，H的单位称为奥斯特。磁导率是无量纲的。,高斯单位制，又称混合CGS，在此单位制中，凡是电学量如q、I、E、P、D等都用CGSE制单位，而磁学量如E、M、H都用CGSM制单位。因而此在单位制中,介电常数和磁导率都是无量纲的，而且其真空值0=0=1。此外B和E的量纲相同。理论物理中经常采用。国际单位制（SI），基本量为长度、质量、时间和电流，基本单位

4、分别为米、千克、秒和安培。E和D量纲不同，0=107/（4c2）库2/（千克米）；H和B量纲也不同，0=4107千克米/库2。,磁学量的单位,单位制特点：高斯单位制的特点是电场及磁场的单位相同，方程中唯一有量纲的常数为光速。国际单位制是使关于球面的电磁方程会含有4，关于线圈的则含有2，处理直导线的则完全不含，这样的作法对电机工程应用来说是最便利的。但高斯单位制会使得关于球面的电磁方程中不含4或。使用情况：CGS单位制逐渐的被国际单位制取代，在技术领域使用CGS单位制的情形正逐渐减少。许多科学期刊或国际标准单位已不使用CGS单位制，不过在天文学的期刊中仍会使用。美国的材料科学、电动力学及天文学中

5、偶尔会使用CGS单位制。另外，由于国际单位制的磁通量密度单位特斯拉太大，在日常使用上不便，一般会使用CGS单位制的对应单位高斯，因此在磁学及其相关领域中仍会使用CGS单位制。,磁学量的单位,磁传感器定义磁敏传感器是一种能检测磁场并从中提取信息的器件或装置,通信产品,磁传感器应用领域,罗盘,全球定位,车辆检测,导航,位置传感器,电流传感器,转动位移,发展比较快的两个方面应用：磁传感器被用于70多个汽车应用之中，包括防抱死刹车系统、电子转向与油门控制、电池管理和汽车传动。数字罗盘也是磁传感器的重要市场，正在成为平板电脑和手机全球定位系统(GPS)中的标准器件。例如，iPhone和iPad在行人与车

6、辆导航中使用电子罗盘，也用于基于位置的服务和增强现实等应用。这两个方面市场每年有十几亿美元，其中五大供应商日本AsahiKaseiMicrosystems、美国AllegroMicrosystems、德国英飞凌、瑞士Micronas和比利时MelexisN.V.占据80%的市场。,磁传感器的分类物理原理：磁电感应式传感器，霍尔效应、磁阻效应、巨磁电阻效应、巨磁阻抗效应、超导量子干涉器、磁致伸缩效应、磁弹性效应等。,1831年,英国MichaelFaraday和美国的JosephHenry发现的电磁学中最基本的效应之一-电磁感应现象,磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场相对运动的速度有关，

7、改变其中一个因素都会改变线圈中的感应电势。,磁电感应式传感器,恒磁通式,磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线而产生的。,动圈式感应电势：,在传感器中当结构参数确定后，B、l均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,变磁通：磁路中的工作气隙与磁路磁阻变化，引起磁通变化,旋转型感应电势：,变磁通式

8、传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。,为提高灵敏度，应选用具有磁能积较大的永久磁铁,磁电传感器应用,1、振动测量,2、扭矩测量,3、流量测量,涡轮由导磁系数较高的材料（如不锈钢、等）制成。,4、位移测量,5、接近传感器（探测磁性金属）,6、磁场测量：磁通门,螺线管线圈的电感与它的磁导率有关，而螺线管磁芯的磁导率以饱和的方式依赖于外部的磁场，曲线，为在某一给定点曲线的斜率。如果器件在其曲线的“膝盖”位置受到一个恒定偏置磁场（如线圈偏置电流），外部磁场的一个微小变化将引起

9、磁导率的显著变化，因此电感也发生变化。,微型集成磁通门,交叉磁芯结构的2轴磁通门传感器结构示意图,美国的KVH公司,超导量子干涉磁强计,年英国约瑟夫逊在理论上预言了约瑟夫逊效应，几年后由实验证实。该效应是指在两超导体之间插入纳米厚度的绝缘体，超导电子对能够穿过绝缘体，超导体绝缘体超导体称为约瑟夫逊结，约瑟夫逊结有直流和交流约瑟夫逊效应。在约瑟夫逊效应的超导状态，磁场也具有重要作用，相耦合的电或磁也将发生电磁效应。基于超导体的约瑟夫逊效应，利用超导量子干涉器件（SQUID-superconductingquantuminterferometricdevice）可以对各种物理量做超精密测量。,采用

10、外部接收线圈来增加超导环有效面积的结构示意图,在屏蔽室内进行心磁性图测量,SQUID磁传感器部分,它是到目前为止所有磁敏传感器中最灵敏的磁传感器,可检测高达左右的磁场。当前，它是唯一能够探测头脑中由微小粒子电流产生的磁场的传感器，微小粒子产生的磁场在数量级。,应用：,磁电效应将磁场加在半导体、磁性体等固体上，固体的电性质就会发生变化，这种现象称为电（流）磁效应。基于这种物性变化制成的固体磁传感器，可以精确地检测从静磁场到交变磁场的强度，并转换成电信号输出。固体磁传感器（或称物性磁传感器）具有体积小、功耗低、便于集成化等许多优点。霍尔效应磁电阻效应磁阻抗效应,霍尔效应霍尔效应最早是霍尔（Edvi

11、nHall）于1879年发现的，但直到20世纪50年代，随着微电子技术的发展，霍尔效应才被重视和使用，并开发出多种霍尔效应器件。,洛仑兹力FM：,霍尔电压UH：,霍尔系数RH：,霍尔电场EH：,注：对无限长霍尔元件,对于实际有限长霍尔元件，需增加一个形状效应系数,不同形状的霍尔元件，形状效应系数不同,常用的是菱形,微型化,霍尔传感器的特性参数额定控制电流与最大控制电流输入电阻和输出电阻乘积灵敏度不等位电势和不等位电阻,为了增加灵敏度，选用迁移率高的材料,目前有各种半导体材料制成的霍尔元件特性：InAs霍尔元件。迁移率较高（仅次于InSb）。其温度特性也较好。具有内阻小、信噪比高、零漂移小、控制

12、电流大和输出功率大等优点。适用于强磁场、超导磁场、脉冲磁场的测量；InAsP材料的禁带宽度比InAs材料的大，所以其温度系数，线性偏差均比InAs霍尔元件的小；InSb材料的电子迁移率最大，用它制造的霍尔元件有最高的灵敏度，故常被用作磁敏感元件，对磁场进行检测。受温度影响较大；GaAs材料具有极好的温度稳定性，具有工作温度范围宽，线性度好，灵敏度高等优点，主要用于高、低温下磁场的精密测量。,霍尔器件要点：1、额定激励电流：霍尔元件温升10度时所施加的电流为额定激励电流IH；2、零位电势：在额定控制电流下，无外加磁场时，霍尔器件电极之间的存在电势，或称为零位电位，主要原因霍尔电极的位置不在同一个

13、等位面上，以及制作过程中引入应力，3、温度特性：霍尔器件的电阻率和载流子的迁移率都是温度的函数。AlGaAs/InGaAs/GaAs和InAlAs/InGaAs/GaAs异质结构，灵敏度高温度系数低零位电势和温度变化一般通过电阻补偿方法解决,霍尔传感器的测量电路和误差分析,霍尔传感器的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图。控制电流I由电压源E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。,霍尔元件的基本测量电路,霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从

14、而给测量带来较大的误差。为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的温度补偿方法。（1）恒流源供电,恒流源温度补偿电路,（2）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以下温度补偿电路。图a是在输入回路进行温度补偿；图b是在输出回路进行温度补偿。在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。,（a）在输入回路进行补偿（b）在输出回路进行补偿,采用热敏元件的温度补偿电路,（3）不等位电势的补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难的

15、，因而只有采用补偿的方法。由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于R1=R2=R3=R4，则所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。,基本补偿电路霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式。图a是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联RP，通过调节RP使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路图b相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称补偿电路。,（a）不对称补偿（b）对称电路,具有温度补偿的补偿电

16、路下图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。其中一个桥为热敏电阻Rt，并且Rt与霍尔元件的等效电路的温度特性相同。在磁感应强度B为零时调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使B=0时的总输出电压为零。,不等位电势的桥式补偿电路,应用：通常用于检测强度大于20mT磁场；主要优点：theirrathergoodbasiccharacteristics,simplicityoftheoperatingprincipleandofthestructure,andcompatibilitywithmicroelectronics；主要缺点：霍尔效应器件通常具有灵敏较

17、低，信号漂移大等。,应用：脉冲马达微动开关转速计磁性体的检测接近开关高斯计功率计磁方位计扭矩仪,汽车速度测量：,测量磁场：一种用于测量较弱磁场的GaAs磁场传感器，为了提高传感器的灵敏度，借助了磁场集中技术。图中3为梯形片状磁场集中器，由高导磁率的非晶态合金制成，用以增强被测的较弱磁场。在一对梯形片状中间的缝隙内装有GaAs霍尔元件1来测量被磁场集中器增强后的弱磁场。利于地磁场(0.5G),未采用磁场集中器的霍尔磁传感器，霍尔电压仅有0.5V；采用后可达1.5mV。,三维霍尔元件,测量平行于器件平面磁场分量,比利时Melexis公司发布了采用IMC(Integratedmagnetoconce

18、ntrator)技术,主要公司：美国AllegroMicroSystems美国Honeywell公司比利时Melexis公司日本旭化成日本东芝,AllegroMicroSystemsACS711,MelexisMicroelectronicSystemsMLX91206,什么是量子霍尔效应，简单地说，在一定条件下，处在强磁场中的二维电子系统，其电导率张量为,这里i是整数。换句话讲，电流密度j严格地与电场E垂直，且电流值是量子化的。由此得到QHE的主要特点是：,(i是整数),电导率张量的非对角项由基本常数e、h构成，而对角项为零，表明电流是无耗散的。QHE与超导、超流似乎有某种联系,电流密度j严

19、格地与电场E垂直,量子霍尔效应和反常量子霍尔效应,磁敏二极管和磁敏三极管,是pn结型的磁电转换元件，具有信号输出大、灵敏度高、工作电流小和尺寸小等优点，适合磁场、转速等方面的检测和控制。,磁敏二极管,磁敏二极管,磁敏二极管,磁敏二极管,磁敏二极管特性参数,特征：伏安特性：同一磁场下，通过磁二极管的电流越大，输出电压越高；磁场输出电压特性：磁敏二极管随外加磁场方向的变化可以产生正负输出电压的变化；温度特性：磁敏二极管随温度的升高，它的输出电压下降，灵敏度也随之下降；元件噪声电平较大用途：位置测量转速测量无接触开关,磁敏三极管：基区较长，基区结构类似磁敏二极管，在本征区的侧面有高复合速率的r区和本

20、征I区，也就是运输基区和复合基区。,磁阻效应,普通磁电阻效应或半导体磁电阻效应各向异性磁电阻效应或异常磁电阻效应（）巨磁阻效应（）或隧穿磁电阻效应（）,普通磁电阻效应或半导体磁电阻效应,1、由于外加磁场的作用，电子与晶格或杂质原子碰撞概率增加，故电阻率也增加，这就是产生磁电阻率效应的原因；2、半导体中载流子的能量并不完全相等，而是具有某种分布，随着各自的能量不同，每个载流子的自由程也有不同的值。若对载流子全体自由程进行平均，那么霍尔电场产生的静电力和由于运动产生的洛伦兹力将保持平衡。自由程与平均自由程不一致，都会发生偏转，导致磁电阻率增加。,应用：无触电电位器坐标识别（模式识别）微动开关接近开

21、光压力测量,特征：无磁场的阻抗与有磁场的阻抗相比有很大变化，1万高斯磁通密度的阻抗是无磁场阻抗的15倍，这个体征最适于制作无触点电位器。,各向异性磁电阻效应或异常磁电阻效应,W.Thomson于1857Ni、Fe中发现,各向异性磁阻效应是非线性的不能确定磁场方向,磁化与磁轴,线性化,信号温度漂移温度升高灵敏度降低,提高灵敏度,置位和复位补偿线圈,各向异性磁电阻传感器特点1.灵敏度比较高，在4.2K温度下，各向异性磁电阻阻值能达到5%左右,而在室温下，也还能达到3%左右；采用改进的反馈读取技术，各向异性电阻检测磁场强度下限可大10-6G。2.饱和场较小，约为.m-1，特别适合用于制备检测低磁场的

22、传感器。3.易与微电子工艺兼容。,应用领域磁阻电流传感器加速度计微动开关转速计位置检测压力检测可制成磁性编码器；键盘可制作磁性墨水文字图形识别传感器,电子罗盘,美国Honeywell公司日本SONY公司荷兰PHILIPS公司,单轴磁敏感元件中惠斯通电桥示意图,AMR磁敏感元件的制备,电流方向仿真示意图,AMR磁敏感元件的制备,二轴磁敏感元件示意图,AMR磁敏感元件的制备,铜制平面线圈二维磁场仿真示意图,AMR磁敏感元件的制备,用于磁性薄膜图形化的光刻版(a)以及磁性薄膜局部光学显微照片(b),磁敏感元件的制备与测试,(a)(b),(a)(b),（c）,用于菱形电极及导电引线的光刻版(a)及相应

23、的薄膜图形(b)和(c)照片,磁敏感元件的制备与测试,(c)(d)图25用于绝缘层（a）和平面化线圈（b）(c)制备的光刻版及磁敏感元件照片（d）,用于绝缘层（a）和平面化线圈（b）(c)制备的光刻版及磁敏感元件照片（d）,(a)(b),(c)(d),磁敏感元件的制备与测试,装配后的电子罗盘电路板模块,电子罗盘测试与标定,装配封装后的电子罗盘模块,电子罗盘测试与标定,电子罗盘测试与标定,电子罗盘测试标定系统,三维方向传感器倾斜角和翻滚角,电子罗盘的姿态调整与补偿,电子罗盘测试与标定,方向传感器电信号输出与精密旋转平台绕竖直轴旋转角度的典型关系,电子罗盘测试与标定,传感器方向角误差(注：每次转动

24、15度）,电子罗盘测试与标定,硬磁误差安装在磁传感器附近的部分设备和装置会产生干扰磁场，如果干扰场的大小和方向相对于磁传感器安装平台是不变，则称为“硬磁误差”软磁误差有些材料能够感应外部磁场而产生的自身的磁场，被称为“软磁场”，随着外部磁场大小和方向的不同，软磁场会在一个很大范围内变化。如果安装平台中存在这样的材料，它会对外部的地球磁场做出反应而产生自身磁场从而影响磁传感器的输出。因为地球磁场的方向会随着高度而变化，软磁场对磁传感器的影响是一个变化的误差量灵敏度误差测量不同轴向的磁传感器的灵敏度不同，对同以磁场进行测量，输出会不相同安装误差磁传感器与安装平台的轴不重合，导致误差。,电子罗盘测试

25、与标定,微磁传感器在导航与导引技术中的应用前景,高灵敏度、快速响应、高温度稳定性、低功耗的微型微磁传感器可以实现飞机、舰艇、军车、卫星、导弹、炮弹和水下武器的地磁场全球定位和地磁场定向导航和地磁匹配制导,实现导弹、炮弹、炸弹、鱼雷、巡航水雷等武器的磁导引,并对潜艇、隐形飞机、战场部队调动、甚至海底电缆等进行遥感磁探测微磁传感器将在军事和民用领域具有广阔的应用前景。,巨磁阻效应（）,低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13秒，平均自由程10nm。,非弹性散射的平均时间间隔10-11秒，相位干涉长度1m。,极化电子自旋保持原有极化方向的平均间隔时间10-9秒，自旋扩散长度100m。,室温下自旋扩

26、散长度,电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋-轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。,1986年GrunbergFe/Cr/Fe三明治结构中Cr适当厚度产生反铁磁耦合,Phys.Rev.Lett.57(1986)2442,1988年Baibich等发现(Fe/Cr)多层膜的巨磁电阻效应,Phys.Rev.Lett.61(1988)2472,反铁磁耦合(H=0),GMR自旋阀,1990年Shinjo两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构,1991年Dieny用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构,J.Appl.Phys.69(1991)4774,二流体模型,GMR物理原理示

27、意图,生物磁传感器,美国NVE公司,GMR磁传感器,AAV003KeyFeaturesForLowCurrentDetectionOn-ChipCurrentStrapforPreciseOperation80mAto+80mALinearRangeSensitivityupto2mV/mAACorDCMeasurementUltraminiatureTDFNPackage2.52.50.8mm,AAV003,GMR应用,PositionofPneumaticCylindersPositioninRoboticsApplicationsSpeedandPositionofBearingsSpe

28、edandPositionofElectricMotorShaftsGeneralFieldDetectioninImplantableMedicalDevicesWheelSpeedSensingforABSBrakeApplicationsTransmissionGearSpeedSensingforShiftControlLowFieldDetectioninCurrencyApplicationsCurrentSensinginPCBTracesandWiresOvercurrentandShortCircuitDetectionVehicleDetectionforTrafficCo

29、untingApplicationsMagneticEncoderDetectionforSecureSafeApplicationsPositionSensingforShockAbsorberFeedbackControlEarthsFieldDetectionforRevolutionCounting,硬盘读出磁头,2004年170Gbit/in2,(100nm65Gbit/in2),硬磁盘读出头的发展,垂直记录退磁能,2000年引入，目前速度为光隔离器的10倍，最终100倍,隔离器原理与实物,隧穿磁阻效应（T）,1975年Julliere在Fe/Ge/Co中发现两铁磁层中磁化平行和反平

30、行的电导变化在4.2K为14。Phys.Lett.54A(1975)225,1982年Maekawa等在Ni/NiO/Ni，(Fe、Co)等发现磁隧道电阻效应,IEEETrans.Magn.18(1982)707,J.Magn.Magn.Mater.139(1995)L231-151(1995)403,Fe/Cr/Fe电阻隧磁场变化,Fe/Cr/Fe磁滞回线,制备态和热处理后,77K和4.2K,X.F.Hanetall.Jpn.J.Appl.Phys.39(2000)L441.,2000年TMR达到50(Al2O3为0.8nm),TMR=22%,TMR=50%,制备态,退火态,磁性隧道结的应用

31、,动态随机存储器MRAM硬盘读出磁头1997年MIT报道用磁隧道阀做成的磁头，硬盘的磁存储密度为几十Gbit/in2。磁性传感器高灵敏磁场传感器,SQUIDs1.5厘米2低温4.2K的灵敏度约1fT/Hz1/2；用高温超导材料，灵敏度约为30fT/Hz1/2。MTJ+超导环：4.2K的灵敏度为40pT/Hz1/2(GMR)。理论预言用TMR灵敏度可达0.01fT/Hz1/2。MTJ结的面积10m2。(1fT=1x10-15T)Science304(2004)1648,与效应一样，效应也为多层膜结构，特别是对中间绝缘层以及层间结合界面具非常高的要求，从而制备工艺复杂，目前应用落后于GMR。,Mo

32、torolaMTJMRAMstructure,写入,读出,位线,字线,写线,写线,位线,字线,CMOS,MRAM与现行各存储器的比较（F为特征尺寸）,MRAM,DRAM,FLASH,非挥发性高的集成度高速读取写入能力重复可读写次数近乎无穷大功耗小,基于TMR构建的磁存储器(MRAM)具有,MRAM具有抗辐照能力,（国防、航天至关重要）,ProgressinMRAM,国外研究现状和发展趋势,2003年在日本文部省和通产省支持下己基本完成100-200Gbit/in2磁读出头原型器件的研制。并又投入数十亿日元开展256M容量的MRAM演示芯片的研制。,p-conjugatedorganicsemiconductors(OSEs)arearelativelynewclassofelectronicmaterialsthatarerevolutionizingimportanttechnologicalapplications.Thevirtuallylimitlessflexibilityofsyntheticorganicchemistryallowsthefabricationofp-conjugatedOSEstructureswithadegreeofcontrolunattainable