一文讀懂磁傳感器

我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無(wú)人不知啊，對(duì)于現(xiàn)代來(lái)講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。

而在當(dāng)今的電子時(shí)代，磁傳感器在電機(jī)、電力電子技術(shù)、汽車工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)器人、辦公自動(dòng)化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

磁傳感器

磁傳感器是一種把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)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(hào)，以這種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件。用于感測(cè)速度、運(yùn)動(dòng)和方向，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、無(wú)線和消費(fèi)電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。

磁傳感器市場(chǎng)按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類：

霍爾效應(yīng)(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(yīng)傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應(yīng)用。隨著持續(xù)的技術(shù)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。

霍爾效應(yīng)(Hall Effect)傳感器

1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾在研究金屬導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。但因金屬的霍爾效應(yīng)很弱而一直沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。

在半導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，半導(dǎo)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(lái)的電子與空穴之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個(gè)現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢(shì)差，稱為霍爾電壓U。

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

霍爾效應(yīng)示意圖

利用霍爾效應(yīng)的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關(guān)和磁力計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)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(chǎng)量測(cè)范圍，并能識(shí)別磁極。其應(yīng)用領(lǐng)域有電力機(jī)車、地下鐵道、無(wú)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(cè)光伏匯流箱實(shí)時(shí)輸出電流的作用、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等。 線性霍爾傳感器還可以用于測(cè)量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測(cè)、水流探測(cè)等。

2. 開關(guān)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(jí)組成，它輸出數(shù)字量。

開關(guān)型霍爾傳感器工作原理

霍爾開關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高，工作溫度范圍寬，可達(dá)-55℃～150℃。開關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過(guò)一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，則完成了一次開關(guān)動(dòng)作，輸出數(shù)字信號(hào)，可以計(jì)算汽車或機(jī)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(jī)車的自動(dòng)門開關(guān)、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)、門禁和防盜報(bào)警器、自動(dòng)販賣機(jī)、打印機(jī)等。

3. 磁力計(jì)

是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)差來(lái)測(cè)算外界磁場(chǎng)的大小和極性。磁力計(jì)是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對(duì)一般IC更為簡(jiǎn)單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過(guò)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(shè)計(jì)的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場(chǎng)變化，因此增加了磁通集中器(magnetic flux concentrator)，工藝上來(lái)講就是做原來(lái)的管芯上增加一層坡莫合金，可探測(cè)平行于管芯方向的磁場(chǎng)。由此，霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計(jì)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(jì)廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和導(dǎo)航設(shè)備等移動(dòng)終端，擁有巨大的市場(chǎng)前景。同時(shí)，磁力計(jì)可以與加速度計(jì)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(shí)現(xiàn)9軸組合傳感器，構(gòu)成更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

各向異性磁阻(AMR)傳感器

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

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

當(dāng)外部磁場(chǎng)與磁體內(nèi)建磁場(chǎng)方向成零度角時(shí), 電阻是不會(huì)隨著外加磁場(chǎng)變化而發(fā)生改變的;但當(dāng)外部磁場(chǎng)與磁體的內(nèi)建磁場(chǎng)有一定角度的時(shí)候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會(huì)偏移，薄膜電阻降低, 我們對(duì)這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡(jiǎn)稱AMR)。磁場(chǎng)作用效果下圖

坡莫合金的AMR效應(yīng)

磁阻變化值與角度變化的關(guān)系

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

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個(gè)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(dāng)施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H在電橋上時(shí)，兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向就會(huì)朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)電阻的阻值會(huì)增加;而另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向會(huì)朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，該兩個(gè)電阻的阻值則減少。通過(guò)測(cè)試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號(hào)，可以得到外界磁場(chǎng)值。

AMR磁阻傳感器等效電路

各向異性磁阻(AMR)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

1. 各向異性磁阻(AMR)技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場(chǎng)范圍是以地球磁場(chǎng)為中心，對(duì)于以地球磁場(chǎng)作為基本操作空間的傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有廣大的運(yùn)作空間，無(wú)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(shù)是唯一被驗(yàn)證，可以達(dá)到在地球磁場(chǎng)中測(cè)量方向精確度為一度的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達(dá)到同樣精度技術(shù)都是無(wú)法與半導(dǎo)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(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡(jiǎn)單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢(shì)。

4.AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應(yīng)用中尚無(wú)局限性。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測(cè)地磁場(chǎng)范圍內(nèi)的弱磁場(chǎng)測(cè)量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計(jì)算機(jī)中的磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種磁卡機(jī)、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測(cè)量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。

巨磁阻(GMR)傳感器

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?yàn)镚MR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應(yīng)和AMR效應(yīng)晚了100多年。

1988年，德國(guó)科學(xué)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(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時(shí)，法國(guó)科學(xué)家費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費(fèi)爾和格林貝格爾也因發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

一般的磁鐵金屬，在加磁場(chǎng)和不加磁場(chǎng)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(dá)到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應(yīng)的命名緣由

GMR和AMR在外加磁場(chǎng)下電阻率變化示意圖

“巨”(giant)來(lái)描述此類磁電阻效應(yīng)，并非僅來(lái)自表觀特性，還由于其形成機(jī)理不同。常規(guī)磁電阻源于磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強(qiáng)度和電流的相對(duì)取向有關(guān)。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強(qiáng)度和電流的相對(duì)取向基本無(wú)關(guān)。

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

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

GMR傳感器的材料結(jié)構(gòu)

具有GMR效應(yīng)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(dāng)前的GMR磁阻傳感器中應(yīng)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(gè)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(duì)傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。當(dāng)相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個(gè)FM/NM界面呈現(xiàn)不同的阻態(tài)，一個(gè)界面為高阻態(tài)，一個(gè)界面為低阻態(tài)，自旋的傳導(dǎo)電子可以在晶體內(nèi)自由移動(dòng)，整體上器件呈現(xiàn)低阻態(tài);

而當(dāng)相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導(dǎo)電子都在穿過(guò)磁矩取向與其自旋方向相同的一個(gè)磁層后，遇到另一個(gè)磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強(qiáng)烈的散射作用，沒(méi)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(chǎng)和反平行磁場(chǎng)作用下的等效電路圖

GMR磁阻傳感器商業(yè)化時(shí)間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對(duì)復(fù)雜，生產(chǎn)成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測(cè)到弱磁場(chǎng)且信號(hào)好，溫度對(duì)器件性能影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此市場(chǎng)占有率呈穩(wěn)定狀態(tài)。GMR磁阻傳感器在消費(fèi)電子、工業(yè)、國(guó)防軍事及醫(yī)療生物方面均有所涉及。

隧道磁阻(TMR)傳感器

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(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關(guān)TMR效應(yīng)的研究進(jìn)展十分緩慢。在GMR效應(yīng)的深入研究下，同為磁電子學(xué)的TMR效應(yīng)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(jī)。

2001年，Butler和Mathon各自做出理論預(yù)測(cè)：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達(dá)到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實(shí)驗(yàn)證明了磁性隧道結(jié)(Fe/MgO/FeCo)的TMR效應(yīng)。2008年，日本東北大學(xué)的S. Ikeda, H. Ohno團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié)CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達(dá)到604%，在4.2K溫度下將超過(guò)1100%。TMR效應(yīng)具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來(lái)越重視TMR效應(yīng)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(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)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(lái)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(duì)于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于AMR元件不需要額外的set/reset線圈結(jié)構(gòu)。

TMR磁阻傳感器的材料結(jié)構(gòu)及原理

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

當(dāng)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(jìn)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(jìn)入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時(shí)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(gè)鐵磁層磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向，當(dāng)磁化方向發(fā)生變化時(shí)，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。

TMR磁化方向平行和反平行時(shí)的雙電流模型

TMR元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實(shí)際應(yīng)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(lái)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(duì)于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對(duì)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(shù)參數(shù)對(duì)比，可以更清楚直觀的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。

霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數(shù)對(duì)比

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

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

磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)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(gè)主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護(hù)、生物工程、交通智能化管制等各個(gè)方面，它們發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。