[磁性传感器及其应用.doc

磁性传感器及其应用 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70—80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 magneto—impedance 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) III—V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22．5V／T，灵敏区的温度系数也有大的改善，用恒定电流驱动时，为—0．0084％K.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.W．Bell、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