磁敏傳感器發(fā)展綜述

李 鋒

(萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250000)

1 磁敏傳感器原理

要想對(duì)磁敏傳感器進(jìn)行分析，需要對(duì)磁阻效應(yīng)和霍爾效應(yīng)有充分的了解。霍爾效應(yīng)是指一個(gè)在磁場中靜止的載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體，當(dāng)它出現(xiàn)電流和磁場二者方向不同時(shí)，在導(dǎo)體的電流方向和磁場方向兩個(gè)垂直面上出現(xiàn)一定量的電動(dòng)勢，這種電動(dòng)勢就是霍爾電勢?；魻栐潜恢糜诖艌鲋械碾娮釉瑢?dǎo)致霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的直接原因是霍爾元件在磁場中受到洛倫磁力的影響，橫向發(fā)生了漂移運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，假設(shè)導(dǎo)體厚度為d，寬度為l，沿x軸方向通有電流強(qiáng)度I，當(dāng)在y軸方向加以勻強(qiáng)磁場B時(shí)，在導(dǎo)體薄片的上下兩側(cè)(圖中的A，A’)產(chǎn)生一電位差UAA’。

圖1 霍爾效應(yīng)原理Fig.1 Principle of Hall effect

若想要計(jì)算被加到載流導(dǎo)體上的磁場對(duì)于電子施加的力，也就是洛倫茲力，就要用到F=ev×B這一公式。式中，e=-q是電子電荷,v是電子的運(yùn)動(dòng)速度。電子受到這份力的作用，不得不偏離原本的路線。如果由于晶格之間發(fā)生碰撞，引起的弛豫時(shí)間過短，那么向?qū)w另一側(cè)漂移的電子將產(chǎn)生橫向電場，這將會(huì)對(duì)電子的進(jìn)一步漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。若弛豫時(shí)間相當(dāng)長，那么電阻就會(huì)在很大程度上得到增長，也就是半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)。

物理意義上的磁阻效應(yīng)和幾何學(xué)上的磁阻效應(yīng)共同組成了磁阻效應(yīng)。物理磁阻效應(yīng)的狀態(tài)一共有3種：在磁場較弱時(shí)，(ρnB-ρn)/ρn與B2成正比。在強(qiáng)磁場時(shí)，(ρnB-ρn)/ρn與B成正比。假設(shè)磁場無限大，那么電阻率ρ就會(huì)無限接近飽和狀態(tài)。在假定磁場的作用不發(fā)生變化的情況下，因?yàn)閷?dǎo)體材料幾何形狀不同，就會(huì)導(dǎo)致電阻值產(chǎn)生各種各樣的變化，這就是幾何磁阻效應(yīng)。

2 磁敏傳感器研究進(jìn)展

磁敏傳感器是具有高電子遷移率化合物半導(dǎo)體的具體應(yīng)用。制造磁敏傳感器所用材料為InSb和GaAs。磁敏傳感器在電磁方面的最直接應(yīng)用是監(jiān)測磁場大小及方向，研究人員也在積極利用計(jì)算機(jī)新技術(shù)不斷豐富磁敏傳感器的應(yīng)用。通過對(duì)傳感磁場的應(yīng)用，許多物理量都能夠轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這極大拓寬了磁敏傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。電子信息技術(shù)的發(fā)展將集成電路技術(shù)應(yīng)用于磁敏傳感器，形成了集成電路磁敏傳感器。一般的平面霍爾器件都對(duì)垂直于表面的磁場敏感，為了對(duì)磁場矢量的傳感和測試，國內(nèi)外許多院校和科研單位正研究對(duì)平行于表面的磁場敏感的垂直霍爾器件，并在集成電路的基礎(chǔ)上形成了集成的磁羅盤和三維霍爾磁敏傳感器。此外，霍爾器件電路的性能也有了極大的提高。采用了4個(gè)霍爾元件并聯(lián)并正交放置，可以降低不等位電勢，在N型半導(dǎo)體霍爾元件硅基底和二氧化硅間放置一層P型掩蔽層，除去了表面可移動(dòng)電荷的影響，改善了霍爾元件的線性度，提高了靈敏度。霍爾電路中的過流保護(hù)電路和過熱熔斷電路以及溫度補(bǔ)償電路等，其工作溫度達(dá)到150℃，能承受瞬時(shí)180℃的高溫，因此霍爾元件在發(fā)動(dòng)機(jī)定時(shí)點(diǎn)火和汽車ABS中可靠實(shí)用，可用于大功率直流無刷電機(jī)中。目前，技術(shù)成熟并已經(jīng)較大規(guī)模地投入使用的磁傳感器類型如表1。

表1 磁敏傳感器與相應(yīng)的物理效應(yīng)Tab.1 Magneto-dependent sensor and corresponding physical effect

銻化銦磁阻薄膜的發(fā)展使制作的霍爾元件具有靈敏度高、用量大、體積小、便于使用等特點(diǎn)，成本大幅下降，產(chǎn)能劇增，國際市場年需求量約20億只，國內(nèi)市場年需求量約2億只。強(qiáng)磁體合金薄膜和巨磁電阻多層薄膜的研究與開發(fā)促進(jìn)了各種磁阻器件的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。新器件具有靈敏度較高、穩(wěn)定性較強(qiáng)等特點(diǎn)，在學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了較大的討論。另外，非晶合金材料和Ⅲ—V族半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速，利用這類材相對(duì)高的電子遷移率、低的表面電子濃度以及寬的禁帶寬度，得到了較低的溫度系數(shù)和噪聲，提高了靈敏度，大大改善了磁敏傳感器的性能。

3 國內(nèi)外磁敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

國外市場的應(yīng)用類型主要是霍爾元件和磁阻元件。近年來，巨磁阻元件也有著較為巨大的發(fā)展?jié)摿?。不接觸便能進(jìn)行測量是磁敏傳感器應(yīng)用的最大優(yōu)點(diǎn)?；魻栐驳玫搅藦V泛的應(yīng)用。磁場測量：以測量結(jié)果為參考制作特斯拉計(jì)的檢測探頭，制作電流傳感器、變送器的一次元件。直流無刷電機(jī)：對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行監(jiān)測，并提供激勵(lì)信號(hào)。位移傳感器：利用磁尺進(jìn)行長距離測量。角位移傳感器：主要用于轉(zhuǎn)動(dòng)角度測量，在汽車制造行業(yè)中取得了較大成績?；魻栐饕纳a(chǎn)廠家有日本旭化成公司、東芝，美國Honeywell公司、Allogro公司。主要代表商有日本SONY公司和荷蘭PHILIPS公司。

目前，國內(nèi)磁敏傳感器在技術(shù)方面除了巨磁阻器件和發(fā)達(dá)國家的生產(chǎn)企業(yè)存在較大差距以外，其他常用磁敏傳感器，如霍爾元件、磁阻元件等的生產(chǎn)技術(shù)與國外廠家差距不大。在直流無刷電機(jī)領(lǐng)域，以銻化銦霍爾元件為主，經(jīng)常被應(yīng)用于直流無刷電機(jī)中轉(zhuǎn)子位置的監(jiān)測，還應(yīng)用于電流傳感器、專用測量儀器儀表及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)測量，偽鈔識(shí)別等方面。

4 磁敏傳感器的應(yīng)用前景

隨著信息產(chǎn)業(yè)和過程控制等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，各種半導(dǎo)體磁阻型傳感器廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、測量等領(lǐng)域，在汽車制造、機(jī)電機(jī)械、儀器儀表、航空航天等領(lǐng)域中占據(jù)著重要地位。磁場檢測的范圍要求一般在10nT～1T，且要求磁敏傳感器結(jié)構(gòu)精巧堅(jiān)固、體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、與外電路接口方便，能在強(qiáng)震、多塵、高溫、污染、腐蝕等惡劣環(huán)境下工作，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，適合規(guī)?；a(chǎn)，這標(biāo)志著磁敏傳感器的生產(chǎn)向著更高端要求發(fā)展。靈巧化、智能化和多功能化是磁敏傳感器發(fā)展的必然趨勢，具有巨大的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>