我們偉大中華祖先的四大發明之一——指南針
，可謂是無人不知啊，對於現代傳感器技術來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。

 

而在當今的電子時代，磁傳感器在電機、電力電子技術
、汽車工業、工業自動控製、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全係統等方麵都有著廣泛的應用。

 

 

磁傳感器是一種把磁場、電流
、應力應變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。用於感測速度、運動和方向
，應用領域包括汽車
、無線和消費電子

、軍事、能源、醫療和數據處理等。

 

磁傳感器市場按照技術進步的發展，主要分為四大類：

 

霍爾效應（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
，霍爾效應傳感器的曆史最悠久
，獲得廣泛應用。隨著持續的技術研發
，各種磁傳感器誕生
，並擁有更優異的性能、更高的可靠性。

 

 

1879年(nian)，美(mei)國(guo)物(wu)理(li)學(xue)家(jia)霍(huo)爾(er)在(zai)研(yan)究(jiu)金(jin)屬(shu)導(dao)電(dian)機(ji)製(zhi)時(shi)發(fa)現(xian)了(le)霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)。但(dan)因(yin)金(jin)屬(shu)的(de)霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)很(hen)弱(ruo)而(er)一(yi)直(zhi)沒(mei)有(you)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)案(an)例(li)，直(zhi)到(dao)發(fa)現(xian)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)比(bi)金(jin)屬(shu)強(qiang)很(hen)多(duo)
，利(li)用(yong)這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)才(cai)製(zhi)作(zuo)了(le)霍(huo)爾(er)元(yuan)件(jian)。

 

在半導體薄膜兩端通以控製電流 I，並在薄膜的垂直方向施加磁感應強度為Bdeyunqiangcichang，bandaotizhongdedianziyukongxueshoudaobutongfangxiangdeluolunzilierzaibutongfangxiangshangjuji，zaijujiqilaidedianziyukongxuezhijianhuichanshengdianchang，dianchangqiangduyuluolunzilichanshengpinghengzhihou，buzaijuji
，zhegexianxiangjiaozuohuoerxiaoying。zaichuizhiyudianliuhecichangdefangxiangshang，jiangchanshengdeneijiandianshicha，chengweihuoerdianyaU。

 

霍爾電壓U與半導體薄膜厚度d，電場B和電流I的關係為U=k(IB/d)。這裏k為霍爾係數，與半導體磁性材料有關。

 

霍爾效應示意圖

 

霍爾傳感器利用霍爾效應的原理製作

，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關和磁力計三種。

 

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強度呈線性關係，如下圖所示，在B1～B2的磁感應強度範圍內有較好的線性度
，磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀態。

 

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量測範圍，並能識別磁極。其應用領域有電力機車、地下鐵道

、無軌電車、鐵路等，還可用於變頻器中用於監控電量、光伏直流櫃監測光伏彙流箱實時輸出電流的作用、電動機保護等。 線性霍爾傳感器還可以用於測量位置和位移，霍爾傳感器可用於液位探測、水流探測等。

 

2. 開關型霍爾傳感器

 

由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

 

開關型霍爾傳感器工作原理

 

霍爾開關器件無觸點
、無磨損

、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重複精度高
，工作溫度範圍寬
，可達-55℃～150℃。開關型霍爾傳感經過一次磁場強度的變化
，則完成了一次開關動作，輸出數字信號

，可以計算汽車或機器轉速、ABS係統中的速度傳感器
、汽車速度表和裏程表、機車的自動門開關、無刷直流電動機、汽車點火係統、門禁和防盜報警器、自動販賣機、打印機等。

 

3. 磁力計

 

是利用霍爾效應產生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計是采用CMOS工藝的平麵器件。工藝相對一般IC更為簡單
，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調節處理器等）相連。

 

但這樣設計的的霍爾傳感器隻能感知垂直於管芯表麵的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工gong藝yi上shang來lai講jiang就jiu是shi做zuo原yuan來lai的de管guan芯xin上shang增zeng加jia一yi層ceng坡po莫mo合he金jin，可ke探tan測ce平ping行xing於yu管guan芯xin方fang向xiang的de磁ci場chang。由you此ci，霍huo爾er傳chuan感gan器qi實shi現xian了le從cong單dan軸zhou到dao三san軸zhou磁ci力li計ji的de跨kua越yue式shi發fa展zhan。

 

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麵圖

 

磁力計廣泛應用於智能手機
、平板電腦和導航設備等移動終端
，擁有巨大的市場前景。同時，磁力計可以與加速度計組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實現9軸組合傳感器


，構成更強大的慣性導航產品。

 

 

某mou些xie金jin屬shu或huo半ban導dao體ti在zai遇yu到dao外wai加jia磁ci場chang時shi，其qi電dian阻zu值zhi會hui隨sui著zhe外wai加jia磁ci場chang的de大da小xiao發fa生sheng變bian化hua
，這zhe種zhong現xian象xiang叫jiao做zuo磁ci阻zu效xiao應ying，磁ci阻zu傳chuan感gan器qi利li用yong磁ci阻zu效xiao應ying製zhi成cheng。

 

1857年
，Thomson發現坡莫合金的的各向異性磁阻效應。對於有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷
、鎳及其合金等。

 

當外部磁場與磁體內建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發生改變的；但當外部磁場與磁體的內建磁場有一定角度的時候, 磁體內部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。

 

坡莫合金的AMR效應

 

磁阻變化值與角度變化的關係

 

薄膜合金的電阻R就(jiu)會(hui)因(yin)角(jiao)度(du)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)，電(dian)阻(zu)與(yu)磁(ci)場(chang)特(te)性(xing)是(shi)非(fei)線(xian)性(xing)的(de)，且(qie)每(mei)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)並(bing)不(bu)與(yu)唯(wei)一(yi)的(de)外(wai)加(jia)磁(ci)場(chang)值(zhi)成(cheng)對(dui)應(ying)關(guan)係(xi)。從(cong)上(shang)圖(tu)中(zhong)，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)，當(dang)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)與(yu)磁(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)平(ping)行(xing)時(shi)，傳(chuan)感(gan)器(qi)最(zui)敏(min)感(gan)
，在(zai)電(dian)流(liu)方(fang)向(xiang)和(he)磁(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)成(cheng)45度角度時，一般磁阻工作於圖中線性區附近，這樣可以實現輸出的線性特性。

 

AMR磁傳感器的基本結構由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb
，電流流經電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉動，這兩個電阻的阻值會增加
；而er另ling外wai兩liang個ge相xiang對dui放fang置zhi的de電dian阻zu的de磁ci化hua方fang向xiang會hui朝chao與yu電dian流liu相xiang反fan的de方fang向xiang轉zhuan動dong
，該gai兩liang個ge電dian阻zu的de阻zu值zhi則ze減jian少shao。通tong過guo測ce試shi電dian橋qiao的de兩liang輸shu出chu端duan輸shu出chu差cha電dian壓ya信xin號hao，可ke以yi得de到dao外wai界jie磁ci場chang值zhi。

 

AMR磁阻傳感器等效電路

 

各向異性磁阻（AMR）技術的優勢有以下幾點：

 

1. 各向異性磁阻（AMR）jishuzuiyouliangxingnengdecichangfanweishiyidiqiucichangweizhongxin，duiyuyidiqiucichangzuoweijibencaozuokongjiandechuanganqiyingyonglaishuo，juyouguangdadeyunzuokongjian，wuxuxianghuoeryuanjiannayangzengjiajucidengfuzhushouduan。

 

2.各向異性磁阻（AMR）技ji術shu是shi唯wei一yi被bei驗yan證zheng，可ke以yi達da到dao在zai地di球qiu磁ci場chang中zhong測ce量liang方fang向xiang精jing確que度du為wei一yi度du的de半ban導dao體ti工gong藝yi技ji術shu。其qi他ta可ke達da到dao同tong樣yang精jing度du技ji術shu都dou是shi無wu法fa與yu半ban導dao體ti集ji成cheng的de工gong藝yi。因yin此ci，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一矽片上並提供足夠的精確度。

 

3.AMR技術隻需一層磁性薄膜
，工藝簡單，成本低
，不需要昂貴的製造設備，具有成本優勢。

 

4.AMR技術具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應用中尚無局限性。

 

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場範圍內的弱磁場測量，製成各種位移、角度、轉速傳感器
，各種接近開關
，隔離開關
，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機
、火車、汽車。其它應用包括各種導航係統中的羅盤
，計算機中的磁盤驅動器，各種磁卡機、旋轉位置傳感、電流傳感
、鑽井定向
、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。

 

 

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！這是因為GMR效應的發現比霍爾效應和AMR效應晚了100多年。

 

1988年，德國科學家格林貝格爾發現了一特殊現象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學家費爾在鐵、鉻ge相xiang間jian的de多duo層ceng膜mo電dian阻zu中zhong發fa現xian
，微wei弱ruo的de磁ci場chang變bian化hua可ke以yi導dao致zhi電dian阻zu大da小xiao的de急ji劇ju變bian化hua
，其qi變bian化hua的de幅fu度du比bi通tong常chang高gao十shi幾ji倍bei。費fei爾er和he格ge林lin貝bei格ge爾er也ye因yin發fa現xian巨ju磁ci阻zu效xiao應ying而er共gong同tong獲huo得de2007年諾貝爾物理學獎。

 

一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為1%~3%
，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構成的多層膜，在室溫下可以達到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應的命名緣由。

 

GMR和AMR在外加磁場下電阻率變化示意圖

 

“巨”（giant）來lai描miao述shu此ci類lei磁ci電dian阻zu效xiao應ying，並bing非fei僅jin來lai自zi表biao觀guan特te性xing，還hai由you於yu其qi形xing成cheng機ji理li不bu同tong。常chang規gui磁ci電dian阻zu源yuan於yu磁ci場chang對dui電dian子zi運yun動dong的de直zhi接jie作zuo用yong，呈cheng各ge向xiang異yi性xing磁ci阻zu，即ji電dian阻zu與yu磁ci化hua強qiang度du和he電dian流liu的de相xiang對dui取qu向xiang有you關guan。相xiang反fan，GMR磁阻呈各向同性
，與磁化強度和電流的相對取向基本無關。

 

巨磁阻效應僅依賴於相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業隻是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應更重要的意義是為進一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學（Spintronics）以及新的傳感器技術奠定了基礎。

 

GMR效應的首次商業化應用是1997年，由IBM公司投放市場的硬盤數據讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數碼相機、MP3播放器的標準技術。

 

 

具有GMR效應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構在當前的GMR磁阻傳感器中應用比較廣泛。

自旋閥主要有自由層（磁性材料FM）
，隔離層（非磁性材料NM），釘紮層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結構。

 

自旋閥GMR磁阻傳感器基本結構

 

GMR磁ci阻zu傳chuan感gan器qi由you四si個ge巨ju磁ci電dian阻zu構gou成cheng惠hui斯si通tong電dian橋qiao結jie構gou
，該gai結jie構gou可ke以yi減jian少shao外wai界jie環huan境jing對dui傳chuan感gan器qi輸shu出chu穩wen定ding性xing的de影ying響xiang
，增zeng加jia傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du。當dang相xiang鄰lin磁ci性xing層ceng磁ci矩ju平ping行xing分fen布bu，兩liang個geFM/NM界麵呈現不同的阻態，一個界麵為高阻態
，一個界麵為低阻態
，自旋的傳導電子可以在晶體內自由移動
，整體上器件呈現低阻態
；而(er)當(dang)相(xiang)鄰(lin)磁(ci)性(xing)層(ceng)磁(ci)矩(ju)反(fan)平(ping)行(xing)分(fen)布(bu)，兩(liang)種(zhong)自(zi)旋(xuan)狀(zhuang)態(tai)的(de)傳(chuan)導(dao)電(dian)子(zi)都(dou)在(zai)穿(chuan)過(guo)磁(ci)矩(ju)取(qu)向(xiang)與(yu)其(qi)自(zi)旋(xuan)方(fang)向(xiang)相(xiang)同(tong)的(de)一(yi)個(ge)磁(ci)層(ceng)後(hou)，遇(yu)到(dao)另(ling)一(yi)個(ge)磁(ci)矩(ju)取(qu)向(xiang)與(yu)其(qi)自(zi)旋(xuan)方(fang)向(xiang)相(xiang)反(fan)的(de)磁(ci)層(ceng)，並(bing)在(zai)那(na)裏(li)受(shou)到(dao)強(qiang)烈(lie)的(de)散(san)射(she)作(zuo)用(yong)
，沒(mei)有(you)哪(na)種(zhong)自(zi)旋(xuan)狀(zhuang)態(tai)的(de)電(dian)子(zi)可(ke)以(yi)穿(chuan)越(yue)FM/NM界麵
，器件呈現高阻態。

 

平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖

 

GMR磁阻傳感器商業化時間晚於霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器
，製造工藝相對複雜，生產成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優點，因此市場占有率呈穩定狀態。GMR磁阻傳感器在消費電子
、工業、國防軍事及醫療生物方麵均有所涉及。

 

 

早在1975年

，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應。但是
，這一發現當時並沒有引起人們的重視。在此後的十幾年裏，有關TMR效應的研究進展十分緩慢。在GMR效應的深入研究下
，同為磁電子學的TMR效應才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發現為TMR磁阻傳感器的發展契機。

 

2001年

，Butler和Mathon各自做出理論預測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實驗證明了磁性隧道結（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應。2008年，日本東北大學的S. Ikeda, H. Ohno團隊實驗發現磁性隧道結CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達到604%，在4.2K溫度下將超過1100%。TMR效應具有如此大的電阻率變化，因此業界越來越重視TMR效應的研究和商業產品開發。
 

TMR元(yuan)件(jian)在(zai)近(jin)年(nian)才(cai)開(kai)始(shi)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)的(de)新(xin)型(xing)磁(ci)電(dian)阻(zu)效(xiao)應(ying)傳(chuan)感(gan)器(qi)，其(qi)利(li)用(yong)磁(ci)性(xing)多(duo)層(ceng)膜(mo)材(cai)料(liao)的(de)隧(sui)道(dao)磁(ci)電(dian)阻(zu)效(xiao)應(ying)對(dui)磁(ci)場(chang)進(jin)行(xing)感(gan)應(ying)，比(bi)之(zhi)前(qian)所(suo)發(fa)現(xian)並(bing)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)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（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件
，MTJ元件具有更好的溫度穩定性

，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對於霍爾元件不需要額外的聚磁環結構，相對於AMR元件不需要額外的set/reset線圈結構。

 

 

從經典物理學觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）desanmingzhijiegougenbenwufashixiandianzizaicicengzhongdechuantong
，erliangzilixuequekeyiwanmeijieshizheyixianxiang。dangliangcengtiecicengdecihuafangxianghuxiangpingxing
，duoshuzixuanzidaidedianzijiangjinrulingyicixingcengzhongduoshuzixuanzidaidekongtai，shaoshuzixuanzidaidedianziyejiangjinrulingyicixingcengzhongshaoshuzixuanzidaidekongtai，zongdesuichuandianliujiaoda，cishiqijianweidizuzhuangtai
；

 

當(dang)兩(liang)層(ceng)的(de)磁(ci)鐵(tie)層(ceng)的(de)磁(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)反(fan)平(ping)行(xing)，情(qing)況(kuang)則(ze)剛(gang)好(hao)相(xiang)反(fan)，即(ji)多(duo)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)電(dian)子(zi)將(jiang)進(jin)入(ru)另(ling)一(yi)磁(ci)性(xing)層(ceng)中(zhong)少(shao)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)空(kong)態(tai)，而(er)少(shao)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)電(dian)子(zi)也(ye)進(jin)入(ru)另(ling)一(yi)磁(ci)性(xing)層(ceng)中(zhong)多(duo)數(shu)自(zi)旋(xuan)子(zi)帶(dai)的(de)空(kong)態(tai)
，此(ci)時(shi)隧(sui)穿(chuan)電(dian)流(liu)較(jiao)小(xiao)
，器(qi)件(jian)為(wei)高(gao)阻(zu)狀(zhuang)態(tai)。

 

可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，隧(sui)道(dao)電(dian)流(liu)和(he)隧(sui)道(dao)電(dian)阻(zu)依(yi)賴(lai)於(yu)兩(liang)個(ge)鐵(tie)磁(ci)層(ceng)磁(ci)化(hua)強(qiang)度(du)的(de)相(xiang)對(dui)取(qu)向(xiang)
，當(dang)磁(ci)化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)，隧(sui)穿(chuan)電(dian)阻(zu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，因(yin)此(ci)稱(cheng)為(wei)隧(sui)道(dao)磁(ci)電(dian)阻(zu)效(xiao)應(ying)。

 

TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

 

TMR元(yuan)件(jian)在(zai)近(jin)年(nian)才(cai)開(kai)始(shi)工(gong)業(ye)應(ying)用(yong)的(de)新(xin)型(xing)磁(ci)電(dian)阻(zu)效(xiao)應(ying)傳(chuan)感(gan)器(qi)
，其(qi)利(li)用(yong)磁(ci)性(xing)多(duo)層(ceng)膜(mo)材(cai)料(liao)的(de)隧(sui)道(dao)磁(ci)電(dian)阻(zu)效(xiao)應(ying)對(dui)磁(ci)場(chang)進(jin)行(xing)感(gan)應(ying)，比(bi)之(zhi)前(qian)所(suo)發(fa)現(xian)並(bing)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)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（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩定性
，更高的靈敏度
，更低的功耗
，更好的線性度
，相對於霍爾元件不需要額外的聚磁環結構，相對於AMR元件不需要額外的set/reset線圈結構。

 

下表是霍爾元件
、AMR元件
、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比，可以更清楚直觀的看到各種技術的優劣。

 

霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比

 

作為GMR元件的下一代技術，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應用於硬盤磁頭領域。相信TMR磁傳感技術將在工業、生物傳感、磁性隨機存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領域有極大的發展與貢獻。

 

磁傳感器的發展,在本世紀70～80 年代形成高潮。90 年代是已發展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。

 

 

磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經濟、國防建設、科學技術、醫療衛生等領域都發揮著重要作用，成為現代傳感器產業的一個主要分支。在傳統產業應用和改造、資源探查及綜合利用、環境保護、生物工程

、交通智能化管製等各個方麵，它們發揮著愈來愈重要的作用。

 

本文轉載自傳感器技術。