我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對于現(xiàn)代傳感器技術來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。

 

而在當今的電子時代，磁傳感器在電機、電力電子技術、汽車工業(yè)、工業(yè)自動控制、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應用。

 

 

磁傳感器是一種把磁場、電流、應力應變、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，以這種方式來檢測相應物理量的器件。用于感測速度、運動和方向，應用領域包括汽車、無線和消費電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。

 

磁傳感器市場按照技術進步的發(fā)展，主要分為四大類：

 

霍爾效應（Hall Effect）傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器隧道磁阻（TMR）傳感器。

 

其中，霍爾效應傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應用。隨著持續(xù)的技術研發(fā)，各種磁傳感器誕生，并擁有更優(yōu)異的性能、更高的可靠性。

 

 

1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應。但因金屬的霍爾效應很弱而一直沒有實際應用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導體的霍爾效應比金屬強很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。

 

在半導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強度為B的勻強磁場，半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來的電子與空穴之間會產(chǎn)生電場，電場強度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個現(xiàn)象叫做霍爾效應。在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢差，稱為霍爾電壓U。

 

霍爾電壓U與半導體薄膜厚度d，電場B和電流I的關系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數(shù)，與半導體磁性材料有關。

 

霍爾效應示意圖

 

霍爾傳感器利用霍爾效應的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關和磁力計三種。

 

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，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應強度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

 

線性型霍爾傳感器工作原理

 

霍爾線性器件擁有很寬的磁場量測范圍，并能識別磁極。其應用領域有電力機車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)測光伏匯流箱實時輸出電流的作用、電動機保護等。 線性霍爾傳感器還可以用于測量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測、水流探測等。

 

2. 開關型霍爾傳感器

 

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，它輸出數(shù)字量。

 

開關型霍爾傳感器工作原理

 

霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高，工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。開關型霍爾傳感經(jīng)過一次磁場強度的變化，則完成了一次開關動作，輸出數(shù)字信號，可以計算汽車或機器轉(zhuǎn)速、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機車的自動門開關、無刷直流電動機、汽車點火系統(tǒng)、門禁和防盜報警器、自動販賣機、打印機等。

 

3. 磁力計

 

是利用霍爾效應產(chǎn)生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對一般IC更為簡單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過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。

 

但這樣設計的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來講就是做原來的管芯上增加一層坡莫合金，可探測平行于管芯方向的磁場。由此，霍爾傳感器實現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計的跨越式發(fā)展。

 

圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖；圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖

 

磁力計廣泛應用于智能手機、平板電腦和導航設備等移動終端，擁有巨大的市場前景。同時，磁力計可以與加速度計組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實現(xiàn)9軸組合傳感器，構(gòu)成更強大的慣性導航產(chǎn)品。

 

 

某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應，磁阻傳感器利用磁阻效應制成。

 

1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應。對于有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。

 

當外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的；但當外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。

 

坡莫合金的AMR效應

 

磁阻變化值與角度變化的關系

 

薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應關系。從上圖中，我們可以看到，當電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實現(xiàn)輸出的線性特性。

 

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉(zhuǎn)動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

 

AMR磁阻傳感器等效電路

 

各向異性磁阻（AMR）技術的優(yōu)勢有以下幾點：

 

1. 各向異性磁阻（AMR）技術最優(yōu)良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應用來說，具有廣大的運作空間，無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）技術是唯一被驗證，可以達到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導體工藝技術。其他可達到同樣精度技術都是無法與半導體集成的工藝。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技術只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設備，具有成本優(yōu)勢。

 

4.AMR技術具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應用中尚無局限性。

 

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關，隔離開關，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應用包括各種導航系統(tǒng)中的羅盤，計算機中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。

 

 

與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因為GMR效應的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應和AMR效應晚了100多年。

 

1988年，德國科學家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。

 

一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構(gòu)成的多層膜，在室溫下可以達到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應的命名緣由。

 

GMR和AMR在外加磁場下電阻率變化示意圖

 

“巨”（giant）來描述此類磁電阻效應，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機理不同。常規(guī)磁電阻源于磁場對電子運動的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強度和電流的相對取向有關。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強度和電流的相對取向基本無關。

 

巨磁阻效應僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業(yè)只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應更重要的意義是為進一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學（Spintronics）以及新的傳感器技術奠定了基礎。

 

GMR效應的首次商業(yè)化應用是1997年，由IBM公司投放市場的硬盤數(shù)據(jù)讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標準技術。

 

 

具有GMR效應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)在當前的GMR磁阻傳感器中應用比較廣泛。

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)。

 

自旋閥GMR磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu)

 

GMR磁阻傳感器由四個巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個界面為高阻態(tài)，一個界面為低阻態(tài)，自旋的傳導電子可以在晶體內(nèi)自由移動，整體上器件呈現(xiàn)低阻態(tài)；而當相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后，遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強烈的散射作用，沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現(xiàn)高阻態(tài)。

 

平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖

 

GMR磁阻傳感器商業(yè)化時間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對復雜，生產(chǎn)成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優(yōu)點，因此市場占有率呈穩(wěn)定狀態(tài)。GMR磁阻傳感器在消費電子、工業(yè)、國防軍事及醫(yī)療生物方面均有所涉及。

 

 

早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應。但是，這一發(fā)現(xiàn)當時并沒有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關TMR效應的研究進展十分緩慢。在GMR效應的深入研究下，同為磁電子學的TMR效應才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發(fā)現(xiàn)為TMR磁阻傳感器的發(fā)展契機。

 

2001年，Butler和Mathon各自做出理論預測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實驗證明了磁性隧道結(jié)（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應。2008年，日本東北大學的S. Ikeda, H. Ohno團隊實驗發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達到604%，在4.2K溫度下將超過1100%。TMR效應具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來越重視TMR效應的研究和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。
 

TMR元件在近年才開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。

 

 

從經(jīng)典物理學觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實現(xiàn)電子在磁層中的穿通，而量子力學卻可以完美解釋這一現(xiàn)象。當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，此時器件為低阻狀態(tài)；

 

當兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數(shù)自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)。

 

可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當磁化方向發(fā)生變化時，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應。

 

TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

 

TMR元件在近年才開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。

 

下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數(shù)對比，可以更清楚直觀的看到各種技術的優(yōu)劣。

 

霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數(shù)對比

 

作為GMR元件的下一代技術，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應用于硬盤磁頭領域。相信TMR磁傳感技術將在工業(yè)、生物傳感、磁性隨機存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領域有極大的發(fā)展與貢獻。

 

磁傳感器的發(fā)展,在本世紀70～80 年代形成高潮。90 年代是已發(fā)展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。

 

 

磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟、國防建設、科學技術、醫(yī)療衛(wèi)生等領域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

 

本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術。