微型磁傳感器的工作原理及主要技術(shù)性能介紹

1 磁傳感器及其發(fā)展

磁傳感器，就把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號，以種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。其實出特點是可以非接觸測量，檢測信號幾乎不受被測物的影響，耐污染、噪聲強，即使在很惡劣的環(huán)境條件下也能夠可靠地工作，堅固耐用，壽命。正因為如此，從防、航空航天到國民經(jīng)濟各個部門，從醫(yī)療衛(wèi)生到類日常生活的諸多方面，都用到了這種傳感器。

磁傳感器以利用磁鐵的指南性作指南針航海為開端。其后，作為感知磁場和磁通的元器件，相繼開發(fā)出探測線圈，磁通門磁強計，半導(dǎo)體霍爾元件和磁電阻元件，鐵磁薄膜各向異性磁電阻（AMR）元器件，還有使用塊狀鐵氧體磁芯的應(yīng)力傳感器，使用熱敏鐵氧體磁芯的溫度傳感器，利用亞鐵磁石榴石磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器，高靈敏度超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID），等等?？傊?，磁傳感器的種類甚多，更新?lián)Q代頻繁。

磁傳感器通常都是組裝在機器、設(shè)備內(nèi)部來使用的?，F(xiàn)代整機正迅速向小型輕便、多功能、智能化方向發(fā)展，要求所用傳感器即使對微小空間內(nèi)物理量的變化也能夠高靈敏度、高速度地做出響應(yīng)。即在傳感器本身需要小型輕量化的同時，還迫切希望提高其工作速度、檢測分辨率和靈敏度。

半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）制造技術(shù)、微組裝技術(shù)的推廣應(yīng)用，磁性薄膜、非晶、多層膜、納米磁性絲等新材料和平面線圈微磁器件制造工藝及表征手段的不斷進步，為磁傳感器的小型化、微型化奠定了可靠的基礎(chǔ)，應(yīng)用各種新效應(yīng)的許多新型高性能、小型化及微型化磁傳感器正不斷投放市場。早期上市的AMR薄膜敏感元件和傳感器，新近推出的GMI傳感器、SI傳感器、SV-GMR傳感器，和即將實用化的薄膜磁通門磁強計、無線磁彈微型傳感器陣列，就是其中的典型代表。

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2 新式微型磁傳感器

2.1 高靈敏度GMI和SI微型磁傳感器

GMI磁傳感器由低磁致伸縮材料和CMOS集成電路構(gòu)成，利用磁性材料的巨磁阻抗（GMI）效應(yīng)工作。所謂GMI效應(yīng)，就是給低磁致伸縮非晶絲或者圖形化薄膜元件加上高頻（》10kHz）電流時，受外部磁場的作用，敏感元件的磁導(dǎo)率和趨膚效應(yīng)就隨磁場變化，結(jié)果，電感和電阻即阻抗發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。1992年，名古屋大學(xué)教授毛利佳年雄等人最先報導(dǎo)了這一新效應(yīng)［1］。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，用快淬富鈷非晶絲，經(jīng)過適當(dāng)處理后，其阻抗變化率（△Z/Z）可達100～300%。近來，V·Zhukova等人報告，用成分為Co67Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7的非晶細(xì)絲，在最佳條件（金屬核直徑/絲總直徑ρ=0.98，在頻率f=10MHz，通過電流I=0.75mA）下，由磁場感生的（△Z/Z）max≈615%。［2］另據(jù)日本東北大學(xué)教授荒井賢一報告，將銅導(dǎo)體（厚3μm，寬0.5mm）夾在非晶磁膜（Co73Si12B15合金：厚2μm，寬2mm，長10mm）中間，并在其間加上SiO2絕緣層，在元件長度方向施加直流外磁場和通過10MHz載波電流時，也可以得到大約600%的阻抗變化率和0.8%（A/m）的電壓變化量。

GMI磁傳感器實用化的關(guān)鍵，一是選擇合適的磁性材料，二是針對具體應(yīng)用采用恰當(dāng)?shù)碾娐废到y(tǒng)。目前，日本Unitika股份有限公司已能夠批量供應(yīng)這種傳感器用的絲材，它是把非晶合金CoFeSiB（λs=-10-7）冷拉成15～30μm直徑，以后進行張力退火，在其表層感生出精確的圓周各向異性。也有將Co85Nb12Zr磁膜加工成長條形作傳感器和用Co73Si12B15非晶磁膜與銅導(dǎo)體、SiO2絕緣層構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，做成外鐵閉合磁路型傳感器的。1997年，T·Kanno等人摸索到利用脈沖電流響應(yīng)磁阻抗效應(yīng)的CMOSFET傳感器電路；高分辨率線性傳感器在傳感器電子線路中用負(fù)反饋回路，對高穩(wěn)定開關(guān)型傳感器則采用正反饋回路。日本愛知制鋼公司于2001年用直徑30μm長2mmCoFeSiB非晶絲開發(fā)出可高密度制造的CMOS型磁阻抗傳感器集成電路芯片，2002年又用φ20μm長1μmCoFeSiB非晶絲微機加工成CMOS型磁阻抗傳感器集成電路芯片。證明可向市場提供低成本大批量的GMI微型磁傳感器產(chǎn)品。這種產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)列于表1，并向其他常用高性能磁傳感器產(chǎn)品進行了比較。

2.2 SV-GMR傳感器及其陳列

巨磁電阻（GMR）效應(yīng)，最初是用厚度為數(shù)個原子層（數(shù)nm）的Fe/Cr多層膜，在4.2K加上1.6×107A/m磁場時發(fā)現(xiàn)的，［7］其電阻值的變化（△R/Ro，△R=R11-R1）高達46%，而且有AMR效應(yīng)的單層金屬膜最大才4～6%。1991年P(guān)arkin等人用Co/Cu多層膜，在室溫下加磁場，使其電阻的變化達到了65%。但是，這種電阻變化所需的磁場太高，難以實用化。后來，改由易磁化自由磁性層（NiFe等）/銅間隔層/難磁化釘扎層（如Co）/反鐵磁交換耦合層（FeMn等）組成的所謂SV-GMR結(jié)構(gòu)元件，和CMOS集成電路結(jié)合，在高密度HDD機中首先被實際用作讀出磁頭，接著又開發(fā)出實用型高靈敏度磁場傳感器?，F(xiàn)正在進行使用多個SV-GMR元件的微型磁傳感器陣列開發(fā)。

2.3 薄膜磁通門磁強計

傳統(tǒng)的磁通門磁強計，普遍用來測量1nT～1mT的弱磁場，分辨率可達到0.1nT。它們在航天飛行器姿態(tài)控制，探礦、考古、空間磁場探測和深潛探雷等軍事活動中得到廣泛的應(yīng)用。

這種傳統(tǒng)器件常用兩個數(shù)厘米大的磁棒成磁環(huán)和多匝線圈構(gòu)成。因而，很難小型化。此外，在使用過程中用手調(diào)節(jié)，需單獨校準(zhǔn)，給操作帶來不便，成本也高。為此，正在積極開發(fā)磁性薄膜微型磁通門器件。

微型磁通門磁強計，系采用微電子技術(shù)，即用磁性薄膜、微機加工或標(biāo)準(zhǔn)平面工藝制成的勵磁線圈與檢測線圈制成。P·Ripka等人在硅基片上電鍍上、下兩層4μm的坡莫合金作磁芯，用3μm厚鋁加工成的2個金屬層被夾在坡莫合金層之間。用光刻工藝，使鋁形成一個扁平勵磁線圈和2個反串聯(lián)的檢測線圈；將坡莫合金膜光刻成4根長0.7mm長條，對稱地放置在線圈兩邊，由它們組成勵磁的兩通道閉合磁路。整個器件類似一個雙磁通門傳感器，芯片尺寸只有2.5×4mm2。經(jīng)檢驗，用脈沖勵磁的噪聲是20nTrms，磁滯在1mT以內(nèi)，6mT磁場沖擊引起的打火低于5μT。

3 應(yīng)用及市場

新型磁傳感器的開發(fā)和應(yīng)用，已創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟、技術(shù)和社會效益，加速了工業(yè)自動化、管理集約化、辦公自動化和家庭生活現(xiàn)代化的實現(xiàn)，加快了工業(yè)化社會向信息化社會轉(zhuǎn)變的步伐。

在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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，它們將發(fā)揮愈來愈重要的作用。

3.1 在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造中的應(yīng)用及市場

據(jù)網(wǎng)上報道，1995年僅工業(yè)過程控制傳感器的全球市場已達到260億美元；2001年計算機HDD用SV-GMR磁頭的市場超過了4000億日元（約合34億美元）。雖然有很多種電子傳感器，例如電容式傳感器、聲表面波傳感器等可為這些應(yīng)用提供良好的性能，但是這些平臺，在傳感器和數(shù)據(jù)處理電子器件之間要用有形的接插件直接聯(lián)接，或者在傳感器和檢測器之間需要精確校準(zhǔn)與調(diào)整。若采用新型微型磁傳感器，特別是無線無源（無電池）器件，則可省去這些麻煩。這樣，既使操作更簡便，又提高了可靠性，增長了器件壽命，降低了成本。

使用新型磁傳感器可以顯著提高測量和控制精度，如用前述的GMI磁場傳感器，檢測分辨率和常用磁通門磁強計一樣，而響應(yīng)速度卻快了一倍，消耗功率僅為后者的1%；若用霍爾器件，其分辨率僅4A/m，而所需外場比前者高300余倍；在應(yīng)力檢測中，SI傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導(dǎo)體應(yīng)變規(guī)的20～40倍。工業(yè)機床的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，廣泛采用套在活塞桿上的永磁環(huán)和AMR元件組成的磁傳感器，檢測精度0.1mm，檢測速度可在0～500mm/s內(nèi)以高低速度變換；改用GMI或SV-GMR傳感器后，測量精度至少可以提高1個數(shù)量級。

數(shù)控機床、機器人及工廠自動化相關(guān)設(shè)備的位置檢測、傳輸速度控制，目前仍大量使用光編碼器。由于這種器件易受粉塵、油污和煙霧的影響，用在自動焊接、油漆機器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應(yīng)用AMR、GMR、GMI敏感元件構(gòu)成的磁編碼器，就不存在上述缺點，因此，它們的市場需求年增長率在30%以上。微型磁編碼器和控制微機一體化，有利于簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少元件數(shù)和占空體積，這在精密制造和加工業(yè)中意義十分重大。

各種精密、超精密線位移磁傳感器已大量用于精密加工機床、專用機床、半導(dǎo)體制造設(shè)備和三維測量設(shè)備。使用高靈敏度、高速響應(yīng)的磁敏元件的電流傳感器、磁極位置傳感器等，在各種電動機驅(qū)動、控制中擔(dān)負(fù)著重要角色。在機床數(shù)控化時代，數(shù)字磁尺幫助設(shè)計師們實現(xiàn)了閉環(huán)控制。使用絕對信號輸出的磁尺不受噪聲、電源電壓波動等干擾，也不必原點復(fù)位。使用工作狀態(tài)磁敏開關(guān)，還可以完成手動與數(shù)控之間的轉(zhuǎn)換。

3.2 在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

環(huán)境保護的前提是對各個環(huán)境數(shù)（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲。..。..。）的監(jiān)測，這里需要使用多種大量的傳感器。采用前述的強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠(yuǎn)距離訪問。在食品包裝、環(huán)境科學(xué)實驗等方面，應(yīng)用前景廣闊。