磁性传感器工作原理及行业应用领域介绍

    磁性材料在感受到外界的热、光、压力、放射线等之后，其磁特性会改变。利用这种物质可以做成各种可靠性好，灵敏度高的传感器，这类传感器是利用磁性材料作为其敏感元件，故称磁性传感器。在如今社会中磁性传感器已然成为信息技术和信息产业中不可或缺的基石元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁性传感器，并在科研、生产和社会生活的各个方面得到了广泛的运用。今天将主要介绍霍尔元件、各向异性磁阻AMR元件、巨磁电阻GMR元件及隧道磁电阻TMR元件这4种磁性传感器，并简要概述在行业领域中的应用。

    霍尔传感器，顾名思义，是依据霍尔效应来制作的。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法，通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

    霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。

    1.线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，输出模拟量。

    2.开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，输出数字量。

    根据霍尔效应用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点。因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

    各向异性磁阻AMR

    磁阻传感器，同理，是利用磁阻效应制成的。1857年，Thomson发现了各向异性磁阻效应。

    各向异性磁阻效应(即AMR)是指，当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时,电阻不随外加磁场变化而改变；但当外部磁场与磁体的内建磁场有角度的时候,磁体内部磁化矢量偏移，薄膜电阻降低的一种现象。

    AMR在感测地磁场范围内的弱磁场测量方面见长，常被制成转速传感器、接近开关、隔离开关。以及导航系统中的罗盘，计算机的磁盘驱动器，各种磁卡机、旋转位置传感、钻井定向等。

    巨磁电阻GMR

    巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时比在无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料的电阻也最小。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，此时材料的电阻最大。

    基于巨磁阻效应研发出了极度灵敏的磁头，可以清晰读出较弱的磁信号并转换成清晰的电流变化，而这种磁头的出现引发了硬盘的"大容量、小型化"革命。同时巨磁电阻还可用于MRAM、角度或位置传感器、电流传感器、生物检测以及军事领域等方面。

    隧道磁电阻TMR

    TMR元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。

    目前，AMR传感器早已大规模应用，GMR传感器正快速发展。TMR传感技术最开始是应用于硬盘驱动器读出磁头，大幅提高了硬盘驱动器的记录密度。TMR集AMR的高灵敏度和GMR的宽动态范围于一体，因而在各类磁传感器技术中，TMR磁性传感器具有无可比拟的技术优势。因此，TMR传感器可广泛应用于工业控制、金融器具、生物医疗、消费电子、汽车领域等方面。

    磁性传感器的应用——汽车工业

    磁性传感器在汽车中的应用主要是车速、倾角、角度、距离、接近、位置等参数检测，以及导航、定位等方面的应用。在节能降耗中，尤其是目前减少点滴碳排放或其它污染物的情况下，马达会成为重中之重，马达将从存在摩擦力的“一刻不停”的滑轮系统向电子马达转变，后者可以按需控制。并且，电子马达会向效率更高和更加可靠的有刷DC马达转变，磁性传感器的作用就体现在让马达控制或换向更加精确。

    磁性传感器的应用——工业应用

    在其它工业应用方面，磁性传感器可用于电脑服务器等机器的不间断电源、焊接系统。在大型变频电机等电流较高的应用中，开环与闭环霍尔传感器可以在一个小型封装中使用霍尔效应IC，也可以在封装中包含一个专用集成电路来提高集成度。霍尔IC也适用于工业变频器控制的应用之中。除了电流传感器，独立霍尔效应IC或磁阻传感器开关也存在电机整流来降低纹波和改善性能，或用于位置测量等应用。

    磁性传感器的应用——医疗应用

    磁性传感器在医疗领域中的应用，尽管规模要小于工业领域，但却能够在很多场合辅助病人护理和监控：救护车，医院和家庭护理等。无论是在手术过程中，重症监护室，还是在普通的家庭护理方面，都可以提供有效的方式以控制运动、气流、探测血压等挽救生命或提高生命质量。不过，磁性传感器还是主要用于换向传感器的医疗设备之中的电机控制，类似呼吸机、输液、胰岛素和肾脏透析机等方面。

    磁性传感器的应用——消费电子

    磁性传感器在消费电子中的应用也十分广泛。例如手机、笔记本电脑、电子罗盘等方面。MEMS传感器和磁性传感器在电子罗盘中的应用互相促进，可以使导航产品更加精准，而这会在导航市场成为一个亮点。如果把陀螺仪、加速度和磁性传感器三种传感器集成在一起，三者在功能上互相辅助，则构成了功能更强大的惯性导航产品。

    磁性传感器的应用——航天军工

    高灵敏度和低磁场的传感器是航空、航天及卫星通信技术上非常重要的材料。随着军事工业中吸波技术的发展，军事物件可通过覆盖一层吸波材料而瞒天过海，但无论如何这些物件都会产生磁场，因此通过GMR磁场传感器就可以把这些隐蔽的物体找出来。GMR磁场传感器还可以应用在卫星上，用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。而电子罗盘主要用于武器/导弹导航，航海和航空的高性能导航设备中功不可没。