磁敏傳感器原理與運用以及發(fā)展趨勢 《傳感器與檢測技術(shù)》調(diào)研報告(共38頁)

1、傳感器與檢測技術(shù)調(diào)研報告 PAGE 47磁敏傳感器原理與運用(ynyng)以及發(fā)展趨勢 傳感器與檢測(jin c)技術(shù)調(diào)研(dio yn)報告 姓 名 學 校 學 院 專業(yè)班級 學 號 年 月 日摘要(zhiyo)：傳感器是各種儀器儀表和自動化設(shè)備的基礎(chǔ)，尤其(yuq)在當今以計算機為標志的信息社會中，傳感器技術(shù)更承擔著獲取信息的重要任務(wù)。各種各樣的磁場傳感器都是為不同的磁場測量目的而設(shè)計的。磁敏傳感器是將磁場信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號的裝置。它是各種磁測儀器的核心。本文主要評述磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及可能形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用的磁敏傳感器的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：磁敏傳感器；霍爾元件(yunjin)

2、；磁場檢驗；產(chǎn)業(yè)化 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc292568196 第一章 概述(i sh)5 HYPERLINK l _Toc292568197 1.1 磁敏傳感器簡介(jin ji)6 HYPERLINK l _Toc292568198 1.1.1 霍爾器件(qjin)6 HYPERLINK l _Toc292568199 1.1.2 探測線圈6 HYPERLINK l _Toc292568200 1.1.3 磁敏電阻7 HYPERLINK l _Toc292568201 1.1.4 韋甘德器件7 HYPERLINK l _Toc29256820

3、2 1.1.5 磁通門磁強計8 HYPERLINK l _Toc292568203 1.2 磁敏傳感器的應(yīng)用8 HYPERLINK l _Toc292568204 第二章 磁敏傳感器的原理11 HYPERLINK l _Toc292568205 2.1 霍爾式傳感器11 HYPERLINK l _Toc292568206 2.1.1 霍爾效應(yīng)11 HYPERLINK l _Toc292568207 2.1.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性13 HYPERLINK l _Toc292568208 2.2 磁敏半導體傳感器15 HYPERLINK l _Toc292568209 2.2.1 磁阻效應(yīng)15

4、HYPERLINK l _Toc292568210 2.2.2 磁阻元件16 HYPERLINK l _Toc292568211 2.2.3 磁敏電阻的特性18 HYPERLINK l _Toc292568212 2.3 結(jié)型磁敏傳感器20 HYPERLINK l _Toc292568213 2.3.1 磁敏二極管20 HYPERLINK l _Toc292568214 2.3.2 磁敏三極管23 HYPERLINK l _Toc292568215 2.4 新型磁傳感器25 HYPERLINK l _Toc292568216 2.4.1 高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器24 HYPERLINK l _T

5、oc292568217 2.4.2 渦流傳感器26 HYPERLINK l _Toc292568229 第三章 磁敏傳感器在漏磁探傷中的應(yīng)用28 HYPERLINK l _Toc292568230 3.1 磁敏傳感器陣列結(jié)構(gòu)28 HYPERLINK l _Toc292568231 3.2 磁敏傳感器陣列在漏磁探傷中的應(yīng)用29 HYPERLINK l _Toc292568232 3.3 結(jié)論32 HYPERLINK l _Toc292568233 第四章 磁敏傳感器的發(fā)展趨勢33 HYPERLINK l _Toc292568234 4.1 磁敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀33 HYPERLINK l _To

6、c292568235 4.1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀33 HYPERLINK l _Toc292568236 4.1.2 國外現(xiàn)狀34 HYPERLINK l _Toc292568237 4.2 磁敏傳感器的發(fā)展趨勢34 HYPERLINK l _Toc292568238 第五章 理解36 HYPERLINK l _Toc292568240 參考文獻37第1章 概述(i sh)世界(shji)傳感器市場正在以持續(xù)穩(wěn)定的增長之勢向前發(fā)展。世界非軍用傳感器市場1998年為325億美元，據(jù)統(tǒng)計，2008年已增加到506億美元。1998年2003年之間的年平均增長率為5.3%。根據(jù)(gnj)中華人民共和國國家標

7、準(GB7665-87)，傳感器(transducer/sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件(sensingelement)是指傳感器中能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)是指傳感器中能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。磁敏傳感器是將磁場信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號的裝置。它是各種測磁儀器的核心。為了檢測并利用磁碭，人們研制了各種測磁儀器。到目前為止，已形成了十多種常用的測磁方法，研制和生產(chǎn)出了幾十個大類上百種測磁儀器。 一般的測磁

8、儀器都是由磁敏元件、轉(zhuǎn)換器(由此組成傳感器)、信號處理電路和讀出電路組成。儀器的基本性能(例如靈敏度、動態(tài)范圍、精確度)，主要由它的傳感器來決定。信號處理電路可以提供放大、轉(zhuǎn)換(例如F/ V、A/D等轉(zhuǎn)換)、補償、校正等功能。因此，我們認為，測磁儀器所具備的技術(shù)指標和技術(shù)水平反映了當代傳感器的主要性能和水平。隨著磁性材料的發(fā)展，人們利用各種磁性材料來作信息載體，例如計算機信息存儲、音像信息的記錄各種物體運動信息，包括位置、位移、速度、轉(zhuǎn)速等等，都可以借助磁性體來作載體。因而需要大量的、各種各樣的磁的讀出、寫入和傳感裝置。從而促使磁敏傳感器逐漸地和測磁儀器分離，形成了獨立的磁敏傳感器產(chǎn)品。近三十

9、年來，磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。現(xiàn)在，可以說“任何一臺計算機、一輛汽車、一家工廠離開磁敏傳感器就不能夠正常工作”。同時，磁敏傳感器已深入到人們的日常生活，許多家用電器，例如收錄機、電視錄像機、空調(diào)機、洗衣機等，都大量地使用著磁敏傳感器。1.1磁敏傳感器簡介(jin ji)1.1.1霍爾器件(qjin)霍爾器件分霍爾元件和霍爾電路(dinl)兩個大類，它以霍爾效應(yīng)為工作基礎(chǔ)，可檢測10-7T10T的磁場。 Insb霍爾元件靈敏度最高但溫度穩(wěn)定性較差，GaAs霍爾元件溫度性能最好但價格最高。InAsP是性能和價格都較適中的霍爾元件。硅霍爾集成電路因可將霍爾元件及信號處理電路集成在同一個芯片上，且適于

10、和各種邏輯電路直接接口，使用十分方便，因而發(fā)展了許多種數(shù)字輸出的霍爾功能電路。國內(nèi)外市售霍爾電路有約300個品種，有單極開關(guān)、雙極開關(guān)、鎖定開關(guān)、差動開關(guān)、功率開關(guān)、無刷電機驅(qū)動電路、多路雙線霍爾集成電路等多種類型，還有線性輸出電路等。 目前，全世界對霍爾器件的年需求量在10億只以上，已在無刷電機、齒輪轉(zhuǎn)速檢測、過程控制中的無觸點開關(guān)、定位開關(guān)，汽車的安全裝置ABS(防抱死制動系統(tǒng))，汽車發(fā)動機點火定時，電流電壓傳感器等上得到了廣泛的應(yīng)用。其特點是無觸點傳感，可靠性高，用以檢測電流電壓，不要接入主電路即可進行無位(Potential-free)檢測，無插入損耗，且實現(xiàn)輸入和輸出信號的完全隔離，

11、無過載損壞等等。 目前國外已有幾十家大公司將霍爾傳感器列為自己的重要產(chǎn)品。例如美國的霍尼威爾、奧立格羅(原稱史普拉格)、德克薩斯儀器公司，德國的西門子，日本的松下、索尼、三洋等等。日本的旭化成電子的年產(chǎn)量就在5億只以上。近年來，東歐各國如保加利亞、波蘭、捷克和獨聯(lián)體的一些主要國家都在競相發(fā)展。1.1.2探測線圈利用電感線圈做成的磁敏傳感器可檢測從10-12T的弱磁場直到104T以上的強磁場，它大量用作磁記錄裝置的讀寫頭。電感線圈磁頭的需求量僅次于霍爾器件而在磁敏傳感器中居第二位。現(xiàn)今信息產(chǎn)業(yè)中的各種磁記錄裝置的讀寫，感應(yīng)磁頭仍是主流產(chǎn)品。日本的米茲米等公司還在大量生產(chǎn)。而且感應(yīng)式磁頭已可用微細

12、加工技術(shù)作成薄膜式磁頭不過，感應(yīng)磁頭因其自身的一些固有缺點，如信號幅度隨磁記錄裝置的運動速度而變等，隨著記錄密度的提高，它會逐漸被新的讀出裝置，例如磁敏電阻頭等取代。除磁頭(ctu)外，磁感應(yīng)線圈(xinqun)的用途仍然很廣。如將探測線圈裝在停車場的路面(lmin)上來作交通管制，用作ABS中的車輪速度檢測等，不過隨著新磁敏器件的出現(xiàn)，電感線圈的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用將在競爭中接受嚴峻的考驗。1.1.3磁敏電阻磁敏電阻分成兩個大類：半導體磁敏電阻和強磁合金薄膜磁敏電阻。半導體磁敏電阻利用在磁場中的載流半導體內(nèi)的載流子在羅侖茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使載流子漂移路徑增長從而使電阻增加的磁敏電阻效應(yīng)。它對于垂直

13、于芯片表面的磁場敏感。目前已有許多國家生產(chǎn)出用InSb薄膜和InSb-NiSb共晶制成的半導體磁敏電阻，在0.3T以上的磁場下，有很高的電阻相對變化率。InSb薄膜磁敏電阻的R(B)/RO可達3以上。InSb-Nisb磁敏電阻的R(B)/RO也可達到此值。R(B)為磁場作用下的電阻值，RO為未加電場時的電阻值。InSb薄膜磁阻的初始電阻的典型值可為500，用它來制作無觸電點電位器可以獲得相當高的精度，而且具有無觸點、無動噪聲、旋轉(zhuǎn)力矩小、分辨率高、高頻性能好等特點。半導體磁敏電阻可用來作旋轉(zhuǎn)傳感器，精密小角度及角位移傳感器、壓力傳感器、圖形識別傳感器等。目前日本、德國和國內(nèi)都有批量供應(yīng)。 強磁

14、臺金薄膜磁敏電阻利用3D過渡合金在磁場中電阻率的各向異性，其靈敏度極高，可測10T的弱磁場(已有可測到10-12T的實驗室樣品的報導)。其工作頻率很高，可達100MHz以上，有二端、三端、四端等結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。它對平行于芯片表面的磁場敏感，尺寸可做得很小，可用以檢測磁泡磁疇的場強及其分布，是用來檢測弱磁場的產(chǎn)業(yè)化磁敏傳感器之一。它主要可做成磁旋轉(zhuǎn)編碼器在電機和電氣傳動裝置中使用。據(jù)日本JEE雜志報導，1990年日本磁旋轉(zhuǎn)編碼器的銷售額已達250億日元。磁旋轉(zhuǎn)編碼器是光編碼器有力的競爭對手。強磁合金膜磁阻現(xiàn)已有集成開關(guān)器件生產(chǎn)銷售，這類器件的靈敏度高，在 2.5mT的磁通密度下就可實現(xiàn)開關(guān)功能。

15、金屬薄膜磁敏電阻已有三維功能裝置上市。這種裝置可測空間磁場絕對值，數(shù)字輸出，可和計算機直接接口，是一種靈巧型裝置。可在磁羅盤、位置檢測中作方向傳感；作汽車、火車、飛機等運載工具的檢測；在過程控制中作鐵磁物體的檢測以及在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中跟蹤運動物體，等等。1.1.4韋甘德器件(qjin)由坡奠合金絲、維卡合金絲或非晶磁致伸縮(shn su)薄帶制作。它們利用韋甘德效應(yīng)(xioyng)來進行工作，結(jié)構(gòu)十分簡單，可在-196U+300的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。最近幾年已進入實用階段，國外早已有多家廠商批螢生產(chǎn)，國內(nèi)也已有年產(chǎn)百萬只以上的生產(chǎn)能力。 韋甘德器件可用來制作磁脈沖發(fā)生器，并可用于汽車分電器點火

16、器、旋轉(zhuǎn)編碼器、磁卡讀出器、無觸點開關(guān)等，是磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)中又一支重要力量。1.1.5磁通門磁強計在弱磁場的檢測中，磁通門磁強計是最重要的磁敏傳感器之一。除在魚雷引爆、探潛等軍事方面應(yīng)用之外，還在地磁測量、探礦、材料無損探傷、考古、巖石磁性測量、機場和地面交通管理等方面大量應(yīng)用。而且還大量用于火箭、導彈、 衛(wèi)星、飛船上，測量高空地磁場和行星星際磁場，并可和其它儀器配合，測量和控制飛行體的姿態(tài)。近年來，還用它來辨認磁性墨水記錄的帳冊、讀出磁卡信息等。磁通門磁強計由探頭和主機兩部分組成，前者即磁敏傳感器，后者是信號讀出裝置。它比霍爾器件和磁阻器件的靈敏度高約兩個數(shù)量級；和感應(yīng)線圈比，可測絕對磁場；

17、和磁共振測磁比，可測場的方向，且長期穩(wěn)定，比光纖磁傳感器更靈敏，且振動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性更好；比SQUID便宜，并可在常溫下工作，不需要液氦等等。它的測量范圍為10-1010-4T，分辨力可達l0-11T，噪聲電平極低且沒有任何偏離(Off-set)。是既能測量磁場量值，又能測量磁場方向，還可測量磁場梯度的一種磁傳感裝置。優(yōu)異的性能和用途的廣泛，迫切地要求磁通門實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為此，許多學者正致力于研究磁通門探頭的微型化。1990年Seitz提出用平面微加工技術(shù)來制作平面磁芯和檢測線圈，將探頭尺寸縮小到 24mm2。但仍需外接激勵線圈。1993年，由KaWahito等提出了另一種用微機械加工的方法制

18、作的磁通門探頭。在硅襯底上腐蝕出深槽，在槽底制作許多等距金屬斜條，經(jīng)絕緣后，在槽內(nèi)用選擇電鍍的方法做上多層磁芯。在磁芯上做上絕緣層后再做一層與底層節(jié)距相等的斜條，將兩層斜條端部連接，形成線圈。用這種方法，可將激勵線圈和檢測線圈同時制出。使探頭尺寸縮小到 0.134mm2。更重要的是用這種方法，可在一個基片上同時制作許多探頭，實現(xiàn)批量生產(chǎn)。盡管在制作上還有一些地方需要改進，這一進展可使磁通門探頭實現(xiàn)微型化。而且它預示了，可用MEMS的方法，來使磁通門探頭的生產(chǎn)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。使人們看到，一種已經(jīng)發(fā)展得很成熟的弱磁場磁敏傳感器，將以新的面貌出現(xiàn)在磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)中。1.2磁敏傳感器的應(yīng)用(yngyng)

19、將磁敏傳感器用于各種( zhn)測磁儀中，其應(yīng)用(yngyng)范圍上及天文(天體運行、演變的磁場檢測等)下到地心(地心磁場變化的監(jiān)測、地質(zhì)年代變化的檢測等)，中至人類自身(疾病診斷等)以及人類社會生活的各方面，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防、軍事、航空航天、海洋、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭、辦公等等，可謂無所不至。我們在此要作簡要評述的，是作為獨立的磁敏傳感器的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用。 磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)性的應(yīng)用分為兩類：直接應(yīng)用，仍使用其檢測磁場的功能，例如各種磁記錄信息的讀出、寫入、無損探傷等。和測磁儀器不同的地方，僅在于這些檢測并不一定要得出磁場的準確的量值或方向，多數(shù)都僅需檢測大于某閩值的磁場，或檢出其變

20、化規(guī)律。另一種類型是間接應(yīng)用，大都可在被檢測的對象上設(shè)置一個磁體，用它的磁場來作被檢信息的載體，再用磁敏傳感器去進行檢測、轉(zhuǎn)換、或控制，例如各種運動參量(包括位置、位移、速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、液位、壓力、應(yīng)力等等)的檢測和各種無觸點開關(guān)。 當今，磁敏傳感器的最大的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用市場，是無刷直流電機。無刷直流電機在各種儀器、儀表中得到廣泛應(yīng)用。在音像設(shè)備中，可用來作磁帶或磁鼓主導軸電機，在計算機和各種儀器中可作驅(qū)動電機和風扇電機，其用量十分巨大。而且，還在向各類家用電器、辦公自動化設(shè)備及各種空間設(shè)備中逐漸擴大；大功率的直流無刷電機也正向許多多粉塵的工業(yè)領(lǐng)域擴展。此中，用磁敏傳感器來代替電刷起電樞電

21、流的開關(guān)和換向器的作用。產(chǎn)量最大的霍爾元件的主要用途，就是直流無刷電機。各種磁記錄信息的讀出，包括磁帶、磁盤、磁卡、磁性墨水記錄的銀行帳冊等的讀出，也在向縱深發(fā)展。磁卡用作各種安全保密裝置“鑰匙”，和其它的傳感器及控制裝置結(jié)合起來，形成完整的控制系統(tǒng)，其應(yīng)用已由單機(如汽車、保險箱)的防盜報警，向系統(tǒng)化發(fā)展(例如用作樓宇安全控制)。磁帶、磁盤的讀出等前面已經(jīng)述及，于此不贅。 在汽車工業(yè)中，引擎的智能化，是節(jié)能和防污染的核心。要使引擎汽缸中的燃料充分燃燒，除在燃料空氣比上下功夫之外，點火時間的控制也是一個關(guān)鍵，這就需要對曲軸位置、活塞速度進行檢測，還需要準時送出點火訊號等等，這些環(huán)節(jié)的控制，都依

22、賴各類磁敏傳感器。在汽車防抱制動裝置(ABS)中，用磁敏傳感器來檢測車輪速度，經(jīng)計算機處理后用作調(diào)節(jié)制動氣閥門的控制訊號。在剎車自鎖裝置(不再用手剎)中，也是用磁敏器件來作訊號采集裝置。各種活動裝置的調(diào)整控制(例如門、窗、后蓋、座椅、遮陽板、雨水刷等)，車速表、里程表、各種指示燈的控制，各種液位控制(例如油箱、傳動器、洗滌器等)，蓄電池的自控制充電等等，許多方面都可以，而且，有些方面還必須采用磁敏傳感器。據(jù)分析，一輛轎車中至少有三十多處需采用磁敏傳感器。自動導航用羅盤，已有霍爾、磁電阻，磁通門等多種類型的產(chǎn)品可供選用 可以預見，汽車工業(yè)將逐漸變成磁敏傳感器的又一大產(chǎn)業(yè)性的應(yīng)用領(lǐng)域。 各種磁敏電

23、流(電壓)傳感器(例如(lr)霍爾電流(電壓)傳感器，磁光電流傳感器等)，為能源管理提供了先進可靠的輸入裝置?；魻栯娏?電壓)傳感器可提供和計算機直接接口的輸出信號，可使電力系統(tǒng)的巡檢、遙控、遙測實現(xiàn)自動化。這些傳感器可在高壓電路中使用，實現(xiàn)全隔離無電位測量，沒有插入損耗。而且，可將測得的數(shù)據(jù)作為控制信號，實現(xiàn)過載保護。它們還能進行負載分配；可進行接地故障的檢測；功率因數(shù)和諧波狀態(tài)檢測，以便實施補償；用電度數(shù)檢測和自動計費等等，國外已經(jīng)廣泛使用。用以代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的互感器，除可獲得前述種種(zhngzhng)功能，還可節(jié)約大量材料。在節(jié)能技術(shù)中，將磁敏電流(電壓)傳感器應(yīng)用在各種交流變頻調(diào)速裝置中

24、，對各種拖動設(shè)備、風機、泵浦實施調(diào)速控制，節(jié)能效果極為顯著。利用交流變頻技術(shù)來節(jié)約能源，國外早已普及，國內(nèi)才處于起步階段 而且，我國是一個能源消耗大國(d u)，能源利用率還較低。這方面的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用的潛力，將是無可限量的。 磁敏電流傳感器還用在各種大功率拖動裝置(如軋鋼、電力機車起重機械等)中作測量、保護和控制裝置，其節(jié)能效果也十分可觀。用在各種大電流用電裝置(如冶煉、電鍍乃至可控核聚變的托卡馬克等)作電流檢測和控制，也比其它檢測方法簡便、可靠 此外霍爾電流傳感器還可用在各種特殊電源(如逆變電源、開關(guān)電源、不間斷電源等等)中作監(jiān)控、檢測和保護裝置，具有響應(yīng)時間極快的特點。 生產(chǎn)自動化設(shè)備的過程

25、控制，是磁敏傳感器最早實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用的一大領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中的各種長度、位置、轉(zhuǎn)速、速度、角度、位移、壓力、液位等的監(jiān)測和控制，處處都可利用磁敏傳感器。此中，值得指出的是磁敏傳感器的無觸點傳感控制；它們本身沒有可動部件，無磨損、可靠性高、壽命長且耐各種惡劣環(huán)境。隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，磁敏傳感器在機電一體化的過程中將扮演愈來愈重要的角色。第2章 磁敏傳感器的原理(yunl)磁敏傳感器是一種將磁學量信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置。近年來，磁敏傳感器的應(yīng)用日益擴大，地位越來越重要，按其結(jié)構(gòu)(jigu)主要分為體型和結(jié)型兩大類。前者的代表有霍爾傳感器，后者的代表有磁敏二極管、磁敏晶體管等。他們都是利用半

26、導體材料內(nèi)部的載流子隨磁場改變運動方向這一特性而制成的一種磁傳感器。另外還有利用電磁感應(yīng)原理制成的磁電式傳感器。2.1霍爾式傳感器2.1.1霍爾效應(yīng)(xioyng)置于磁場中的靜止載流導體或半導體，當它的電流方向和磁場方向不一致時，載流導體上垂直于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電動勢稱霍爾電勢，載流導體（多為半導體）稱霍爾元件?；魻栃?yīng)是導體中的載流子在磁場中受洛侖磁力作用發(fā)生橫向漂移的結(jié)果。如圖2.1.1，在與磁場垂直的半導體薄片上通電流I，假設(shè)載流子為電子（N型半導體材料），它沿與電流I相反的方向運動。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)（如虛線箭頭方向

27、），并使改側(cè)形成電子積累。而另一側(cè)形成正電荷積累，元件的橫向形成電場。該電場阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當電子所受到的電場力fE與洛侖茲力fL相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時，在兩端橫面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢UH。圖2.1.1 霍爾效應(yīng)原理圖設(shè)霍爾片的長度(chngd)為L，寬度(kund)為b，厚度(hud)為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強度B的作用下，它受到洛侖茲力 (2.1.1)e：電子電量(1.6210-19C)； v：電子運動速度。同時，作用于電子的電場力 (2.1.2)當達到動態(tài)平衡時 (2.1.3)j：電流密度(A/m2)

28、；n：單位體積中的電子數(shù)；負號表示電子運動方向與電流方向相反。則電流強度I可表示為： (2.1.4)又因為 (2.1.5)所以 (2.1.6)同理，若霍爾元件為P型半導體，則 (2.1.7)p：單位體積中的空穴數(shù)?；魻栂禂?shù)和靈敏度設(shè)，則可寫成 (2.1.8)RH稱為霍爾系數(shù)，其大小反映出霍爾效應(yīng)的強弱。由電導率公式，得 (2.1.9)：材料(cilio)的電阻率(m)； ：載流子的遷移率，即單位電場(din chng)作用下載流子的運動速度(m2/sV)一般(ybn)，電子的遷移率大于空穴的遷移率，因此，制作霍爾元件時多采用N型半導體材料。設(shè)，則 (2.1.10)KH稱為元件的靈敏度，它表示霍

29、爾元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流作用下霍爾電勢的大小，其單位(mV/mAT)。上式說明：(1)金屬電子濃度很高，所以它的霍爾系數(shù)或靈敏度都很小，因此不適宜制作霍爾元件；(2)元件的厚度d越小，靈敏度越高，因而制作霍爾片時可采取減小d的方法來增加靈敏度。但不是d越小越好，這會導致元件的輸入和輸出電阻增加。若磁感應(yīng)強度B的方向與霍爾片平面法線夾角為時，此時實際作用于霍爾片的有效磁場是其法線方向的分量，即Bcos，其霍爾電勢為： UH=KH I B cos (2.1.11)當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍爾電勢并不改變方向。通常應(yīng)用時，

30、霍爾片兩端加的電壓為E，如果將霍爾電勢中的電流I改寫成E，可使計算方便，根據(jù) 及 (2.1.12) (2.1.13)由上式可知，適當?shù)剡x擇材料遷移率()及霍爾片的寬長比(b/L)，可以改變霍爾電勢UH值。2.1.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性1霍爾元件的結(jié)構(gòu) 器件電流(控制電流或輸入電流)：流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。霍爾輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為霍爾端或霍爾電極、輸出端。若霍爾端子間連接負載,稱為霍爾負載電阻或霍爾負載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍爾端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍爾側(cè)內(nèi)部電阻。圖2.1.2 霍爾器件(qjin)

31、片2霍爾元件(yunjin)的特性 UHI特性(txng)當磁場(B)恒定時，在一定溫度下，測定控制電流I與霍爾電勢UH，可得到良好的線性關(guān)系。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，用KI表示， (2.1.14)由此可得，靈敏度KH大的元件，其控制電流靈敏度KI一般也大。但是靈敏度大的元件，UH不一定大，因為UH還與I有關(guān)。UHB特性當控制電流I保持不變時，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈現(xiàn)線性關(guān)系，而有非線性偏離。3誤差分析及補償方法(1) 元件幾何尺寸及電極焊點大小對性能的影響幾何尺寸對性能的影響在霍爾效應(yīng)原理分析時，我們是將霍爾片的長度L看作無窮大來考慮的。實際上，霍爾片的長度是有限的，如

32、果L太小，當小到某個極限值時，霍爾電場會被控制電流極短路，因此在霍爾電勢的表達式中增加一項與幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)， (2.1.15)：元件的形狀系數(shù)；實驗(shyn)表明，當L/b2時，形狀(xngzhun)系數(shù)fH(L/b)接近(jijn)1。為了提高元件的靈敏度，可適當增大L/b值，實際設(shè)計時取L/b=2就足夠了。電極焊點大小對性能的影響霍爾電極的大小對霍爾電勢的輸出也存在一定的影響。按理想元件的要求，控制電流的電極應(yīng)與霍爾元件是良好的面接觸，而霍爾電極與霍爾元件為點接觸。實際上，霍爾電極有一定的寬度l，它對元件的靈敏度和線性度有較大的影響。研究表明，當l/L0.1時，電極寬度的影響可忽略不

33、計。(2)不等位電勢U0及其補償制作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如圖，當控制電流I流過元件時，即使磁感應(yīng)強度等于零，在霍爾電勢極上仍有電勢存在，該電勢稱為不等位電勢U0。不等位電勢是產(chǎn)生零位誤差的主要原因。其等效電路如圖所示，若兩個霍爾電極在同一等位面上，則r1=r2=r3=r4，電橋平衡，U0=0。當霍爾電極不在同一等位面上時（如圖2.1.3），因r3增大、r4減小，電橋平衡被破壞，使U00。有各種方法可以減小不等位電勢以達到補償?shù)哪康?。圖2.1.3 不等位電勢示意圖及霍爾元件等效電路2.2磁敏半導體傳感器磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的

34、理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。2.2.1磁阻效應(yīng)磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。若給通以電流的金屬或半導體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導體材料的兩種載流子 (電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大(jio d)的一種載流子引起電阻率變化，它可表示(biosh)為： (2.2.1)B為磁感應(yīng)強度(qingd)；材料在磁感應(yīng)強度為B時的電阻率；0 材料在磁感應(yīng)強度為0時的電阻率；載流子的遷移率

35、。當材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。長方形磁阻器件只有在L(長度)W(寬度)的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把LW長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件如圖2.2.1(b)所示，就相當于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。常用的磁阻元件有半導體磁阻元件和強磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式

36、。2.2.2磁阻元件1長方形磁敏電阻元件物理(wl)磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)同時存在。弱場時的磁阻比 (2.2.2)ms為磁阻平方(pngfng)系數(shù) (2.2.3)為橫向磁阻系數(shù)(xsh)，是常數(shù)；g為形狀系數(shù)；ms只隨形狀系數(shù)g變化磁阻平方靈敏度為： (2.2.4)SS與長寬比l/b和厚度d有關(guān)。強場時的磁阻比 (2.2.5)強場時B/0為常數(shù)，則在強磁場下RB與B就成正比關(guān)系。2柵格型磁敏電阻高靈敏電阻結(jié)構(gòu)形式：在長方形磁阻的長度方向沉積許多金屬短路條； 將其分割成寬度都為b，l/bIc，電流放大倍數(shù)10，其中6 rnm穿孔的信噪比達到80，因此用磁敏傳感器陣列模塊作為金屬缺陷的漏磁檢測非

37、常適用3.3結(jié)論(jiln)UGN3503U磁敏傳感器陣列(zhn li)用于漏磁檢測時，應(yīng)根據(jù)工件與陣列模塊的相對運動速度合理設(shè)計高通濾波器(微分電路)或帶通濾波器的截止頻率。與渦流檢測法相比，漏磁檢測對孔洞具有較高的測量靈敏度和信噪比，因此該陣列模塊尤其適用于安裝在管道(gundo)爬行器中，對在役長輸管線的人為鉆孔破壞及大型油罐底部和不規(guī)則鋼板進行漏磁探傷。 第4章 磁敏傳感器的發(fā)展趨勢4.1磁敏傳感器的發(fā)展(fzhn)現(xiàn)狀4.1.1國內(nèi)現(xiàn)狀(xinzhung)1國內(nèi)磁傳感器的常見(chn jin)種類及其特點 目前國內(nèi)磁敏傳感器經(jīng)過三十余年的發(fā)展，就基礎(chǔ)器件的研究與開發(fā)情況，除巨磁阻期

38、間存有差距以外，常用其他磁敏傳感器如霍爾元件，磁阻元件等已經(jīng)與國外同類產(chǎn)品的水平相當。市場上應(yīng)用的國產(chǎn)磁敏傳感器件的種類也與國外產(chǎn)品相當，依然是霍爾元件、磁阻元件。 2國內(nèi)磁傳感器件代表廠商 霍爾元件：中科院半導體所，沈陽儀表科學研究院，南京中旭微電子公司。 磁阻器件：沈陽儀表科學研究院（匯博思賓尼斯公司） 3國內(nèi)磁傳感器的應(yīng)用情況 電流傳感器：國內(nèi)包括沈陽儀表科學研究院（思賓尼斯公司）、西南自動化所等二、三十家大小不同的企業(yè)在生產(chǎn)和銷售電流傳感器/變送器，其市場競爭已經(jīng)白熱化。該領(lǐng)域是國內(nèi)磁敏傳感器應(yīng)用最早、最普及、最成熟的領(lǐng)域。 直流無刷電機領(lǐng)域：InSb霍爾元件為主，主要用于直流無刷電機

39、轉(zhuǎn)子位置檢測，并提供定子線圈電流換向的激勵信號。目前年需求量在幾億只。價格確僅有0.3元人民幣左右。該領(lǐng)域是磁敏傳感器用量最大的領(lǐng)域，但是在國內(nèi)目前未形成工業(yè)化生產(chǎn)。 流量計量領(lǐng)域：用于電子水表、電子煤氣表、流量計等流量發(fā)訊傳感器的低功耗薄膜磁體磁阻器件。日前，該產(chǎn)品由沈陽儀表科學院匯博思賓尼斯傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)，市場空間可觀。該領(lǐng)域是磁敏傳感器國內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d應(yīng)用領(lǐng)域，目前處于市場成長期。 專用測量儀表：高斯計，用于磁場檢測，在磁性材料生產(chǎn)及應(yīng)用方面用量較多，國內(nèi)有沈陽儀表院思賓尼斯公司、北京師范學院等幾家公司生產(chǎn)，其中思賓尼斯公司的高斯計已經(jīng)批量出口美國。 另外，國內(nèi)的磁敏傳感器在

40、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量、偽鈔識別等領(lǐng)域，也均有應(yīng)用，但沒有形成規(guī)模。 4.1.2國外現(xiàn)狀(xinzhung)1國外磁傳感器的常見(chn jin)種類 就市場占有情況來看，國外磁敏傳感器主要品種依然是霍爾元件、磁阻元件。近期的巨磁阻元件也有良好的發(fā)展(fzhn)空間。 2外磁傳感器的代表廠商： 霍爾元件：日本旭化成；日本東芝；美國Honeywell公司；美國Allogro公司。 磁阻器件：日本SONY公司；荷蘭PHILIPS公司。 3國外磁傳感器的應(yīng)用情況 磁敏傳感器應(yīng)用的最大特點是無接觸測量。 霍爾元件： 磁場測量，做高斯計（特斯拉計）的檢測探頭。 電流檢測，做電流傳感器/變送器的一次元件。 直流無

41、刷電機，用于檢測轉(zhuǎn)子位置并提供激勵信號。 集成開關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量。 強磁體薄膜磁阻器件： 位移傳感器，主要有磁尺的線性長距離位移測量。 角位移傳感器，主要用語轉(zhuǎn)動角度測量，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。 脈沖發(fā)訊傳感器，主要用于流量檢測和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量。 半導體磁阻器件： 主要是InSb磁阻器件。 微弱磁場檢測，主要用于偽鈔識別。 脈沖測量，主要用于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量。 4.2磁敏傳感器的發(fā)展趨勢在中等強度的磁場檢測和磁敏傳感器中，已經(jīng)有一批相當成熟的磁敏傳感器，可供各種應(yīng)用選擇。但弱磁場(例如10-4T以下)范圍的磁敏傳感器及三維磁敏傳感器則已成為磁敏傳感器的研究和開發(fā)的熱點。信息產(chǎn)業(yè)的高度

42、發(fā)展，對磁存儲裝置的信息讀出提出了越來越高的要求。隨著記錄密度的提高，采用微細加工工藝制作的薄膜磁頭正迅猛發(fā)展，在世界磁頭市場中的地位由配角走上主角；磁阻磁頭因其讀出性能的優(yōu)異，使得研究和開發(fā)都極為活躍。1988年，MNBaibich首次發(fā)現(xiàn)了由Fe/ Cr多層薄膜的層同界面散射的巨磁電阻效應(yīng)(Giant manetoresistance effect，簡稱作GMR) 。1994年，IBM公司宣布它應(yīng)用FeMn/NiFe/Cu/NiFe四層巨磁電阻效應(yīng)材料制成新型的讀出磁頭比單居MR磁頭靈敏度提高23倍。采用GMR磁頭將使硬盤的存儲密度達1010bit/in2。該公司還在與磁記錄有關(guān)的“第六屆

43、3M聯(lián)合會”上將其制作巨磁電阻磁頭的詳細情況作了報導，由此引發(fā)了各磁盤及磁頭廠家競相加入了GMR磁頭的開發(fā)工作。多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，要求(yoqi)硬磁盤的存儲密度提高，最好(zu ho)有數(shù)G字節(jié)(z ji)的容量。比如要容納一部 135分鐘的影像數(shù)據(jù)，即需3G字節(jié)的容量，如要提高畫面質(zhì)量或容納幾部影像，就要有10G字節(jié)以上的容量。據(jù)有關(guān)專家估計，到下世紀初，可能在家電內(nèi)裝置硬盤，用作所謂“節(jié)目冷藏庫”。這種設(shè)備必須有70G100G字節(jié)的容量，而需要10G/in2的記錄密度。在高密度化的硬盤中，記錄密度增高使從磁盤中漏出的磁通減小，需要具有再生靈敏度高的讀出磁頭。再生靈敏極高，是巨磁電阻頭

44、的最大優(yōu)點。目前，世界上許多大的信息產(chǎn)業(yè)財團，如美國的NSIC、日本的SRC等，都在本國政府的支持下，組織數(shù)十個大企業(yè)和高校、研究所參加，爭相研制，形成了研究開發(fā)的一個熱點。預計到21世紀初，很有可能形成新的磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)。近年來，弱磁檢測磁敏傳感器的開發(fā)倍受青睞，出現(xiàn)了各種各樣的新設(shè)計和新構(gòu)想。例如，利用硅微懸臂梁的機械諧振的集成磁敏傳感器，已有多種構(gòu)想，利用非晶帶作電感的隧道二極管振蕩器；利用非晶彈性模量隨磁場變化而檢測磁場的剪切波磁敏傳感器；利用非晶作磁芯，用交、直流同時激勵初級線圈，用次級線圈來檢測弱磁場的高靈敏磁敏傳感器；利用高溫超導體環(huán)的微波特性(例如品質(zhì)因數(shù)Q，dQ/dB的變化)

45、；利用高溫超導在77K下電阻隨磁場的變化率極大的特性研制出的超導磁電阻磁敏傳感器；利用一種非晶合金絲電流隨磁場極大變化而構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單的“磁電感元件”等等，還有人提出利用趨磁性細菌體內(nèi)有Fe2O3微粒，可指示磁場的大小和方向，來做生物弱磁傳感器等等。在這些構(gòu)想中，表達了幾個共同的意向： 1檢測弱磁場，大都以靈敏度和分辨力達nT為研制目標。2盡可能地按MEMS的思路，利用微機械加工和微電子線路進行集成，使新開發(fā)的傳感器適于大量生產(chǎn)，以期形成工業(yè)化產(chǎn)品。 3利用硅材料的優(yōu)越的機械性能，各類非晶材料的磁性能，高溫超導材料的磁特性等等，即注重新材料的研制和開發(fā)。 4利用微生物來做磁傳感器，雖然只是開始，

46、但向人們展示了一種新的磁傳感器的領(lǐng)域。研制開發(fā)的另一個熱門(rmn)領(lǐng)域，是二維或三維磁場(cchng)傳感器。雖然已有三維磁電阻(dinz)測場儀上市，但它們是用三個單維磁電阻經(jīng)二次集成組合起來的。它們的體積大而且組合精度決定于它們的空間位置。長期以來，許多半導體磁敏傳感器學者們在致力于多收集極磁敏晶體管和分裂漏極MOS磁敏場效應(yīng)管的研究。并已分別制成許多高靈敏度或低功耗的半導體磁敏件。并已制成水平的和垂直的磁敏晶體管或場效應(yīng)管。將這些磁敏管作在同一個芯片上組成三維磁敏傳感器，比用其它方法更為方便。這方面的研制工作已見有許多成功的報導。這樣，在一個單片上將敏感頭和信號處理電路集成在一起，能大大地縮小體積，提高空間分辨力。 早先，人們要求磁場傳感器結(jié)構(gòu)簡單、接口方便。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，將傳感器和微處理機結(jié)合起來，制成了許多現(xiàn)成的、靈巧(Smart)型的功能磁敏傳感裝置。如Honewdl公司制作的