1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)調(diào)研報(bào)告 PAGE 47磁敏傳感器原理與運(yùn)用(ynyng)以及發(fā)展趨勢(shì) 傳感器與檢測(cè)(jin c)技術(shù)調(diào)研(dio yn)報(bào)告 姓 名 學(xué) 校 學(xué) 院 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 年 月 日摘要(zhiyo)：傳感器是各種儀器儀表和自動(dòng)化設(shè)備的基礎(chǔ)，尤其(yuq)在當(dāng)今以計(jì)算機(jī)為標(biāo)志的信息社會(huì)中，傳感器技術(shù)更承擔(dān)著獲取信息的重要任務(wù)。各種各樣的磁場(chǎng)傳感器都是為不同的磁場(chǎng)測(cè)量目的而設(shè)計(jì)的。磁敏傳感器是將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號(hào)的裝置。它是各種磁測(cè)儀器的核心。本文主要評(píng)述磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及可能形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用的磁敏傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：磁敏傳感器；霍爾元件(yunjin)

2、；磁場(chǎng)檢驗(yàn)；產(chǎn)業(yè)化 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc292568196 第一章 概述(i sh)5 HYPERLINK l _Toc292568197 1.1 磁敏傳感器簡(jiǎn)介(jin ji)6 HYPERLINK l _Toc292568198 1.1.1 霍爾器件(qjin)6 HYPERLINK l _Toc292568199 1.1.2 探測(cè)線圈6 HYPERLINK l _Toc292568200 1.1.3 磁敏電阻7 HYPERLINK l _Toc292568201 1.1.4 韋甘德器件7 HYPERLINK l _Toc29256820

3、2 1.1.5 磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)8 HYPERLINK l _Toc292568203 1.2 磁敏傳感器的應(yīng)用8 HYPERLINK l _Toc292568204 第二章 磁敏傳感器的原理11 HYPERLINK l _Toc292568205 2.1 霍爾式傳感器11 HYPERLINK l _Toc292568206 2.1.1 霍爾效應(yīng)11 HYPERLINK l _Toc292568207 2.1.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性13 HYPERLINK l _Toc292568208 2.2 磁敏半導(dǎo)體傳感器15 HYPERLINK l _Toc292568209 2.2.1 磁阻效應(yīng)15

4、HYPERLINK l _Toc292568210 2.2.2 磁阻元件16 HYPERLINK l _Toc292568211 2.2.3 磁敏電阻的特性18 HYPERLINK l _Toc292568212 2.3 結(jié)型磁敏傳感器20 HYPERLINK l _Toc292568213 2.3.1 磁敏二極管20 HYPERLINK l _Toc292568214 2.3.2 磁敏三極管23 HYPERLINK l _Toc292568215 2.4 新型磁傳感器25 HYPERLINK l _Toc292568216 2.4.1 高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器24 HYPERLINK l _T

5、oc292568217 2.4.2 渦流傳感器26 HYPERLINK l _Toc292568229 第三章 磁敏傳感器在漏磁探傷中的應(yīng)用28 HYPERLINK l _Toc292568230 3.1 磁敏傳感器陣列結(jié)構(gòu)28 HYPERLINK l _Toc292568231 3.2 磁敏傳感器陣列在漏磁探傷中的應(yīng)用29 HYPERLINK l _Toc292568232 3.3 結(jié)論32 HYPERLINK l _Toc292568233 第四章 磁敏傳感器的發(fā)展趨勢(shì)33 HYPERLINK l _Toc292568234 4.1 磁敏傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀33 HYPERLINK l _To

6、c292568235 4.1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀33 HYPERLINK l _Toc292568236 4.1.2 國(guó)外現(xiàn)狀34 HYPERLINK l _Toc292568237 4.2 磁敏傳感器的發(fā)展趨勢(shì)34 HYPERLINK l _Toc292568238 第五章 理解36 HYPERLINK l _Toc292568240 參考文獻(xiàn)37第1章 概述(i sh)世界(shji)傳感器市場(chǎng)正在以持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)之勢(shì)向前發(fā)展。世界非軍用傳感器市場(chǎng)1998年為325億美元，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年已增加到506億美元。1998年2003年之間的年平均增長(zhǎng)率為5.3%。根據(jù)(gnj)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)

7、準(zhǔn)(GB7665-87)，傳感器(transducer/sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件(sensingelement)是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件(transductionelement)是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。磁敏傳感器是將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號(hào)的裝置。它是各種測(cè)磁儀器的核心。為了檢測(cè)并利用磁碭，人們研制了各種測(cè)磁儀器。到目前為止，已形成了十多種常用的測(cè)磁方法，研制和生產(chǎn)出了幾十個(gè)大類(lèi)上百種測(cè)磁儀器。 一般的測(cè)磁

8、儀器都是由磁敏元件、轉(zhuǎn)換器(由此組成傳感器)、信號(hào)處理電路和讀出電路組成。儀器的基本性能(例如靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、精確度)，主要由它的傳感器來(lái)決定。信號(hào)處理電路可以提供放大、轉(zhuǎn)換(例如F/ V、A/D等轉(zhuǎn)換)、補(bǔ)償、校正等功能。因此，我們認(rèn)為，測(cè)磁儀器所具備的技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)水平反映了當(dāng)代傳感器的主要性能和水平。隨著磁性材料的發(fā)展，人們利用各種磁性材料來(lái)作信息載體，例如計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)、音像信息的記錄各種物體運(yùn)動(dòng)信息，包括位置、位移、速度、轉(zhuǎn)速等等，都可以借助磁性體來(lái)作載體。因而需要大量的、各種各樣的磁的讀出、寫(xiě)入和傳感裝置。從而促使磁敏傳感器逐漸地和測(cè)磁儀器分離，形成了獨(dú)立的磁敏傳感器產(chǎn)品。近三十

9、年來(lái)，磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛?，F(xiàn)在，可以說(shuō)“任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一輛汽車(chē)、一家工廠離開(kāi)磁敏傳感器就不能夠正常工作”。同時(shí)，磁敏傳感器已深入到人們的日常生活，許多家用電器，例如收錄機(jī)、電視錄像機(jī)、空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)等，都大量地使用著磁敏傳感器。1.1磁敏傳感器簡(jiǎn)介(jin ji)1.1.1霍爾器件(qjin)霍爾器件分霍爾元件和霍爾電路(dinl)兩個(gè)大類(lèi)，它以霍爾效應(yīng)為工作基礎(chǔ)，可檢測(cè)10-7T10T的磁場(chǎng)。 Insb霍爾元件靈敏度最高但溫度穩(wěn)定性較差，GaAs霍爾元件溫度性能最好但價(jià)格最高。InAsP是性能和價(jià)格都較適中的霍爾元件。硅霍爾集成電路因可將霍爾元件及信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上，且適于

10、和各種邏輯電路直接接口，使用十分方便，因而發(fā)展了許多種數(shù)字輸出的霍爾功能電路。國(guó)內(nèi)外市售霍爾電路有約300個(gè)品種，有單極開(kāi)關(guān)、雙極開(kāi)關(guān)、鎖定開(kāi)關(guān)、差動(dòng)開(kāi)關(guān)、功率開(kāi)關(guān)、無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、多路雙線霍爾集成電路等多種類(lèi)型，還有線性輸出電路等。 目前，全世界對(duì)霍爾器件的年需求量在10億只以上，已在無(wú)刷電機(jī)、齒輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)、過(guò)程控制中的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、定位開(kāi)關(guān)，汽車(chē)的安全裝置ABS(防抱死制動(dòng)系統(tǒng))，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火定時(shí)，電流電壓傳感器等上得到了廣泛的應(yīng)用。其特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)傳感，可靠性高，用以檢測(cè)電流電壓，不要接入主電路即可進(jìn)行無(wú)位(Potential-free)檢測(cè)，無(wú)插入損耗，且實(shí)現(xiàn)輸入和輸出信號(hào)的完全隔離，

11、無(wú)過(guò)載損壞等等。 目前國(guó)外已有幾十家大公司將霍爾傳感器列為自己的重要產(chǎn)品。例如美國(guó)的霍尼威爾、奧立格羅(原稱(chēng)史普拉格)、德克薩斯儀器公司，德國(guó)的西門(mén)子，日本的松下、索尼、三洋等等。日本的旭化成電子的年產(chǎn)量就在5億只以上。近年來(lái)，東歐各國(guó)如保加利亞、波蘭、捷克和獨(dú)聯(lián)體的一些主要國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展。1.1.2探測(cè)線圈利用電感線圈做成的磁敏傳感器可檢測(cè)從10-12T的弱磁場(chǎng)直到104T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)，它大量用作磁記錄裝置的讀寫(xiě)頭。電感線圈磁頭的需求量?jī)H次于霍爾器件而在磁敏傳感器中居第二位?，F(xiàn)今信息產(chǎn)業(yè)中的各種磁記錄裝置的讀寫(xiě)，感應(yīng)磁頭仍是主流產(chǎn)品。日本的米茲米等公司還在大量生產(chǎn)。而且感應(yīng)式磁頭已可用微細(xì)

12、加工技術(shù)作成薄膜式磁頭不過(guò)，感應(yīng)磁頭因其自身的一些固有缺點(diǎn)，如信號(hào)幅度隨磁記錄裝置的運(yùn)動(dòng)速度而變等，隨著記錄密度的提高，它會(huì)逐漸被新的讀出裝置，例如磁敏電阻頭等取代。除磁頭(ctu)外，磁感應(yīng)線圈(xinqun)的用途仍然很廣。如將探測(cè)線圈裝在停車(chē)場(chǎng)的路面(lmin)上來(lái)作交通管制，用作ABS中的車(chē)輪速度檢測(cè)等，不過(guò)隨著新磁敏器件的出現(xiàn)，電感線圈的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用將在競(jìng)爭(zhēng)中接受?chē)?yán)峻的考驗(yàn)。1.1.3磁敏電阻磁敏電阻分成兩個(gè)大類(lèi)：半導(dǎo)體磁敏電阻和強(qiáng)磁合金薄膜磁敏電阻。半導(dǎo)體磁敏電阻利用在磁場(chǎng)中的載流半導(dǎo)體內(nèi)的載流子在羅侖茲力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使載流子漂移路徑增長(zhǎng)從而使電阻增加的磁敏電阻效應(yīng)。它對(duì)于垂直

13、于芯片表面的磁場(chǎng)敏感。目前已有許多國(guó)家生產(chǎn)出用InSb薄膜和InSb-NiSb共晶制成的半導(dǎo)體磁敏電阻，在0.3T以上的磁場(chǎng)下，有很高的電阻相對(duì)變化率。InSb薄膜磁敏電阻的R(B)/RO可達(dá)3以上。InSb-Nisb磁敏電阻的R(B)/RO也可達(dá)到此值。R(B)為磁場(chǎng)作用下的電阻值，RO為未加電場(chǎng)時(shí)的電阻值。InSb薄膜磁阻的初始電阻的典型值可為500，用它來(lái)制作無(wú)觸電點(diǎn)電位器可以獲得相當(dāng)高的精度，而且具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)動(dòng)噪聲、旋轉(zhuǎn)力矩小、分辨率高、高頻性能好等特點(diǎn)。半導(dǎo)體磁敏電阻可用來(lái)作旋轉(zhuǎn)傳感器，精密小角度及角位移傳感器、壓力傳感器、圖形識(shí)別傳感器等。目前日本、德國(guó)和國(guó)內(nèi)都有批量供應(yīng)。 強(qiáng)磁

14、臺(tái)金薄膜磁敏電阻利用3D過(guò)渡合金在磁場(chǎng)中電阻率的各向異性，其靈敏度極高，可測(cè)10T的弱磁場(chǎng)(已有可測(cè)到10-12T的實(shí)驗(yàn)室樣品的報(bào)導(dǎo))。其工作頻率很高，可達(dá)100MHz以上，有二端、三端、四端等結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品。它對(duì)平行于芯片表面的磁場(chǎng)敏感，尺寸可做得很小，可用以檢測(cè)磁泡磁疇的場(chǎng)強(qiáng)及其分布，是用來(lái)檢測(cè)弱磁場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)化磁敏傳感器之一。它主要可做成磁旋轉(zhuǎn)編碼器在電機(jī)和電氣傳動(dòng)裝置中使用。據(jù)日本JEE雜志報(bào)導(dǎo)，1990年日本磁旋轉(zhuǎn)編碼器的銷(xiāo)售額已達(dá)250億日元。磁旋轉(zhuǎn)編碼器是光編碼器有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。強(qiáng)磁合金膜磁阻現(xiàn)已有集成開(kāi)關(guān)器件生產(chǎn)銷(xiāo)售，這類(lèi)器件的靈敏度高，在 2.5mT的磁通密度下就可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功能。

15、金屬薄膜磁敏電阻已有三維功能裝置上市。這種裝置可測(cè)空間磁場(chǎng)絕對(duì)值，數(shù)字輸出，可和計(jì)算機(jī)直接接口，是一種靈巧型裝置?？稍诖帕_盤(pán)、位置檢測(cè)中作方向傳感；作汽車(chē)、火車(chē)、飛機(jī)等運(yùn)載工具的檢測(cè)；在過(guò)程控制中作鐵磁物體的檢測(cè)以及在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中跟蹤運(yùn)動(dòng)物體，等等。1.1.4韋甘德器件(qjin)由坡奠合金絲、維卡合金絲或非晶磁致伸縮(shn su)薄帶制作。它們利用韋甘德效應(yīng)(xioyng)來(lái)進(jìn)行工作，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，可在-196U+300的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。最近幾年已進(jìn)入實(shí)用階段，國(guó)外早已有多家廠商批螢生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)也已有年產(chǎn)百萬(wàn)只以上的生產(chǎn)能力。 韋甘德器件可用來(lái)制作磁脈沖發(fā)生器，并可用于汽車(chē)分電器點(diǎn)火

16、器、旋轉(zhuǎn)編碼器、磁卡讀出器、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等，是磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)中又一支重要力量。1.1.5磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)在弱磁場(chǎng)的檢測(cè)中，磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)是最重要的磁敏傳感器之一。除在魚(yú)雷引爆、探潛等軍事方面應(yīng)用之外，還在地磁測(cè)量、探礦、材料無(wú)損探傷、考古、巖石磁性測(cè)量、機(jī)場(chǎng)和地面交通管理等方面大量應(yīng)用。而且還大量用于火箭、導(dǎo)彈、 衛(wèi)星、飛船上，測(cè)量高空地磁場(chǎng)和行星星際磁場(chǎng)，并可和其它儀器配合，測(cè)量和控制飛行體的姿態(tài)。近年來(lái)，還用它來(lái)辨認(rèn)磁性墨水記錄的帳冊(cè)、讀出磁卡信息等。磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)由探頭和主機(jī)兩部分組成，前者即磁敏傳感器，后者是信號(hào)讀出裝置。它比霍爾器件和磁阻器件的靈敏度高約兩個(gè)數(shù)量級(jí)；和感應(yīng)線圈比，可測(cè)絕對(duì)磁場(chǎng)；

17、和磁共振測(cè)磁比，可測(cè)場(chǎng)的方向，且長(zhǎng)期穩(wěn)定，比光纖磁傳感器更靈敏，且振動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性更好；比SQUID便宜，并可在常溫下工作，不需要液氦等等。它的測(cè)量范圍為10-1010-4T，分辨力可達(dá)l0-11T，噪聲電平極低且沒(méi)有任何偏離(Off-set)。是既能測(cè)量磁場(chǎng)量值，又能測(cè)量磁場(chǎng)方向，還可測(cè)量磁場(chǎng)梯度的一種磁傳感裝置。優(yōu)異的性能和用途的廣泛，迫切地要求磁通門(mén)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。為此，許多學(xué)者正致力于研究磁通門(mén)探頭的微型化。1990年Seitz提出用平面微加工技術(shù)來(lái)制作平面磁芯和檢測(cè)線圈，將探頭尺寸縮小到 24mm2。但仍需外接激勵(lì)線圈。1993年，由KaWahito等提出了另一種用微機(jī)械加工的方法制

18、作的磁通門(mén)探頭。在硅襯底上腐蝕出深槽，在槽底制作許多等距金屬斜條，經(jīng)絕緣后，在槽內(nèi)用選擇電鍍的方法做上多層磁芯。在磁芯上做上絕緣層后再做一層與底層節(jié)距相等的斜條，將兩層斜條端部連接，形成線圈。用這種方法，可將激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈同時(shí)制出。使探頭尺寸縮小到 0.134mm2。更重要的是用這種方法，可在一個(gè)基片上同時(shí)制作許多探頭，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。盡管在制作上還有一些地方需要改進(jìn)，這一進(jìn)展可使磁通門(mén)探頭實(shí)現(xiàn)微型化。而且它預(yù)示了，可用MEMS的方法，來(lái)使磁通門(mén)探頭的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。使人們看到，一種已經(jīng)發(fā)展得很成熟的弱磁場(chǎng)磁敏傳感器，將以新的面貌出現(xiàn)在磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)中。1.2磁敏傳感器的應(yīng)用(yngyng)

19、將磁敏傳感器用于各種( zhn)測(cè)磁儀中，其應(yīng)用(yngyng)范圍上及天文(天體運(yùn)行、演變的磁場(chǎng)檢測(cè)等)下到地心(地心磁場(chǎng)變化的監(jiān)測(cè)、地質(zhì)年代變化的檢測(cè)等)，中至人類(lèi)自身(疾病診斷等)以及人類(lèi)社會(huì)生活的各方面，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防、軍事、航空航天、海洋、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭、辦公等等，可謂無(wú)所不至。我們?cè)诖艘骱?jiǎn)要評(píng)述的，是作為獨(dú)立的磁敏傳感器的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用。 磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)性的應(yīng)用分為兩類(lèi)：直接應(yīng)用，仍使用其檢測(cè)磁場(chǎng)的功能，例如各種磁記錄信息的讀出、寫(xiě)入、無(wú)損探傷等。和測(cè)磁儀器不同的地方，僅在于這些檢測(cè)并不一定要得出磁場(chǎng)的準(zhǔn)確的量值或方向，多數(shù)都僅需檢測(cè)大于某閩值的磁場(chǎng)，或檢出其變

20、化規(guī)律。另一種類(lèi)型是間接應(yīng)用，大都可在被檢測(cè)的對(duì)象上設(shè)置一個(gè)磁體，用它的磁場(chǎng)來(lái)作被檢信息的載體，再用磁敏傳感器去進(jìn)行檢測(cè)、轉(zhuǎn)換、或控制，例如各種運(yùn)動(dòng)參量(包括位置、位移、速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、液位、壓力、應(yīng)力等等)的檢測(cè)和各種無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。 當(dāng)今，磁敏傳感器的最大的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用市場(chǎng)，是無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)在各種儀器、儀表中得到廣泛應(yīng)用。在音像設(shè)備中，可用來(lái)作磁帶或磁鼓主導(dǎo)軸電機(jī)，在計(jì)算機(jī)和各種儀器中可作驅(qū)動(dòng)電機(jī)和風(fēng)扇電機(jī)，其用量十分巨大。而且，還在向各類(lèi)家用電器、辦公自動(dòng)化設(shè)備及各種空間設(shè)備中逐漸擴(kuò)大；大功率的直流無(wú)刷電機(jī)也正向許多多粉塵的工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展。此中，用磁敏傳感器來(lái)代替電刷起電樞電

21、流的開(kāi)關(guān)和換向器的作用。產(chǎn)量最大的霍爾元件的主要用途，就是直流無(wú)刷電機(jī)。各種磁記錄信息的讀出，包括磁帶、磁盤(pán)、磁卡、磁性墨水記錄的銀行帳冊(cè)等的讀出，也在向縱深發(fā)展。磁卡用作各種安全保密裝置“鑰匙”，和其它的傳感器及控制裝置結(jié)合起來(lái)，形成完整的控制系統(tǒng)，其應(yīng)用已由單機(jī)(如汽車(chē)、保險(xiǎn)箱)的防盜報(bào)警，向系統(tǒng)化發(fā)展(例如用作樓宇安全控制)。磁帶、磁盤(pán)的讀出等前面已經(jīng)述及，于此不贅。 在汽車(chē)工業(yè)中，引擎的智能化，是節(jié)能和防污染的核心。要使引擎汽缸中的燃料充分燃燒，除在燃料空氣比上下功夫之外，點(diǎn)火時(shí)間的控制也是一個(gè)關(guān)鍵，這就需要對(duì)曲軸位置、活塞速度進(jìn)行檢測(cè)，還需要準(zhǔn)時(shí)送出點(diǎn)火訊號(hào)等等，這些環(huán)節(jié)的控制，都依

22、賴各類(lèi)磁敏傳感器。在汽車(chē)防抱制動(dòng)裝置(ABS)中，用磁敏傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪速度，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后用作調(diào)節(jié)制動(dòng)氣閥門(mén)的控制訊號(hào)。在剎車(chē)自鎖裝置(不再用手剎)中，也是用磁敏器件來(lái)作訊號(hào)采集裝置。各種活動(dòng)裝置的調(diào)整控制(例如門(mén)、窗、后蓋、座椅、遮陽(yáng)板、雨水刷等)，車(chē)速表、里程表、各種指示燈的控制，各種液位控制(例如油箱、傳動(dòng)器、洗滌器等)，蓄電池的自控制充電等等，許多方面都可以，而且，有些方面還必須采用磁敏傳感器。據(jù)分析，一輛轎車(chē)中至少有三十多處需采用磁敏傳感器。自動(dòng)導(dǎo)航用羅盤(pán)，已有霍爾、磁電阻，磁通門(mén)等多種類(lèi)型的產(chǎn)品可供選用 可以預(yù)見(jiàn)，汽車(chē)工業(yè)將逐漸變成磁敏傳感器的又一大產(chǎn)業(yè)性的應(yīng)用領(lǐng)域。 各種磁敏電

23、流(電壓)傳感器(例如(lr)霍爾電流(電壓)傳感器，磁光電流傳感器等)，為能源管理提供了先進(jìn)可靠的輸入裝置?；魻栯娏?電壓)傳感器可提供和計(jì)算機(jī)直接接口的輸出信號(hào)，可使電力系統(tǒng)的巡檢、遙控、遙測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這些傳感器可在高壓電路中使用，實(shí)現(xiàn)全隔離無(wú)電位測(cè)量，沒(méi)有插入損耗。而且，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)作為控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)。它們還能進(jìn)行負(fù)載分配；可進(jìn)行接地故障的檢測(cè)；功率因數(shù)和諧波狀態(tài)檢測(cè)，以便實(shí)施補(bǔ)償；用電度數(shù)檢測(cè)和自動(dòng)計(jì)費(fèi)等等，國(guó)外已經(jīng)廣泛使用。用以代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的互感器，除可獲得前述種種(zhngzhng)功能，還可節(jié)約大量材料。在節(jié)能技術(shù)中，將磁敏電流(電壓)傳感器應(yīng)用在各種交流變頻調(diào)速裝置中

24、，對(duì)各種拖動(dòng)設(shè)備、風(fēng)機(jī)、泵浦實(shí)施調(diào)速控制，節(jié)能效果極為顯著。利用交流變頻技術(shù)來(lái)節(jié)約能源，國(guó)外早已普及，國(guó)內(nèi)才處于起步階段 而且，我國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)(d u)，能源利用率還較低。這方面的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用的潛力，將是無(wú)可限量的。 磁敏電流傳感器還用在各種大功率拖動(dòng)裝置(如軋鋼、電力機(jī)車(chē)起重機(jī)械等)中作測(cè)量、保護(hù)和控制裝置，其節(jié)能效果也十分可觀。用在各種大電流用電裝置(如冶煉、電鍍乃至可控核聚變的托卡馬克等)作電流檢測(cè)和控制，也比其它檢測(cè)方法簡(jiǎn)便、可靠 此外霍爾電流傳感器還可用在各種特殊電源(如逆變電源、開(kāi)關(guān)電源、不間斷電源等等)中作監(jiān)控、檢測(cè)和保護(hù)裝置，具有響應(yīng)時(shí)間極快的特點(diǎn)。 生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備的過(guò)程

25、控制，是磁敏傳感器最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用的一大領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域中的各種長(zhǎng)度、位置、轉(zhuǎn)速、速度、角度、位移、壓力、液位等的監(jiān)測(cè)和控制，處處都可利用磁敏傳感器。此中，值得指出的是磁敏傳感器的無(wú)觸點(diǎn)傳感控制；它們本身沒(méi)有可動(dòng)部件，無(wú)磨損、可靠性高、壽命長(zhǎng)且耐各種惡劣環(huán)境。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，磁敏傳感器在機(jī)電一體化的過(guò)程中將扮演愈來(lái)愈重要的角色。第2章 磁敏傳感器的原理(yunl)磁敏傳感器是一種將磁學(xué)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件或裝置。近年來(lái)，磁敏傳感器的應(yīng)用日益擴(kuò)大，地位越來(lái)越重要，按其結(jié)構(gòu)(jigu)主要分為體型和結(jié)型兩大類(lèi)。前者的代表有霍爾傳感器，后者的代表有磁敏二極管、磁敏晶體管等。他們都是利用半

26、導(dǎo)體材料內(nèi)部的載流子隨磁場(chǎng)改變運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的一種磁傳感器。另外還有利用電磁感應(yīng)原理制成的磁電式傳感器。2.1霍爾式傳感器2.1.1霍爾效應(yīng)(xioyng)置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向和磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)。該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)，載流導(dǎo)體（多為半導(dǎo)體）稱(chēng)霍爾元件。霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中的載流子在磁場(chǎng)中受洛侖磁力作用發(fā)生橫向漂移的結(jié)果。如圖2.1.1，在與磁場(chǎng)垂直的半導(dǎo)體薄片上通電流I，假設(shè)載流子為電子（N型半導(dǎo)體材料），它沿與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)（如虛線箭頭方向

27、），并使改側(cè)形成電子積累。而另一側(cè)形成正電荷積累，元件的橫向形成電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受到的電場(chǎng)力fE與洛侖茲力fL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在兩端橫面之間建立的電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)UH。圖2.1.1 霍爾效應(yīng)原理圖設(shè)霍爾片的長(zhǎng)度(chngd)為L(zhǎng)，寬度(kund)為b，厚度(hud)為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力 (2.1.1)e：電子電量(1.6210-19C)； v：電子運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力 (2.1.2)當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí) (2.1.3)j：電流密度(A/m2)

28、；n：?jiǎn)挝惑w積中的電子數(shù)；負(fù)號(hào)表示電子運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反。則電流強(qiáng)度I可表示為： (2.1.4)又因?yàn)?(2.1.5)所以 (2.1.6)同理，若霍爾元件為P型半導(dǎo)體，則 (2.1.7)p：?jiǎn)挝惑w積中的空穴數(shù)?；魻栂禂?shù)和靈敏度設(shè)，則可寫(xiě)成 (2.1.8)RH稱(chēng)為霍爾系數(shù)，其大小反映出霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。由電導(dǎo)率公式，得 (2.1.9)：材料(cilio)的電阻率(m)； ：載流子的遷移率，即單位電場(chǎng)(din chng)作用下載流子的運(yùn)動(dòng)速度(m2/sV)一般(ybn)，電子的遷移率大于空穴的遷移率，因此，制作霍爾元件時(shí)多采用N型半導(dǎo)體材料。設(shè)，則 (2.1.10)KH稱(chēng)為元件的靈敏度，它表示霍

29、爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用下霍爾電勢(shì)的大小，其單位(mV/mAT)。上式說(shuō)明：(1)金屬電子濃度很高，所以它的霍爾系數(shù)或靈敏度都很小，因此不適宜制作霍爾元件；(2)元件的厚度d越小，靈敏度越高，因而制作霍爾片時(shí)可采取減小d的方法來(lái)增加靈敏度。但不是d越小越好，這會(huì)導(dǎo)致元件的輸入和輸出電阻增加。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾片平面法線夾角為時(shí)，此時(shí)實(shí)際作用于霍爾片的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量，即Bcos，其霍爾電勢(shì)為： UH=KH I B cos (2.1.11)當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電勢(shì)并不改變方向。通常應(yīng)用時(shí)，

30、霍爾片兩端加的電壓為E，如果將霍爾電勢(shì)中的電流I改寫(xiě)成E，可使計(jì)算方便，根據(jù) 及 (2.1.12) (2.1.13)由上式可知，適當(dāng)?shù)剡x擇材料遷移率()及霍爾片的寬長(zhǎng)比(b/L)，可以改變霍爾電勢(shì)UH值。2.1.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)與特性1霍爾元件的結(jié)構(gòu) 器件電流(控制電流或輸入電流)：流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)地稱(chēng)為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。霍爾輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱(chēng)為霍爾端或霍爾電極、輸出端。若霍爾端子間連接負(fù)載,稱(chēng)為霍爾負(fù)載電阻或霍爾負(fù)載。電流電極間的電阻，稱(chēng)為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍爾端子間的電阻，稱(chēng)為輸出電阻或霍爾側(cè)內(nèi)部電阻。圖2.1.2 霍爾器件(qjin)

31、片2霍爾元件(yunjin)的特性 UHI特性(txng)當(dāng)磁場(chǎng)(B)恒定時(shí)，在一定溫度下，測(cè)定控制電流I與霍爾電勢(shì)UH，可得到良好的線性關(guān)系。直線的斜率稱(chēng)為控制電流靈敏度，用KI表示， (2.1.14)由此可得，靈敏度KH大的元件，其控制電流靈敏度KI一般也大。但是靈敏度大的元件，UH不一定大，因?yàn)閁H還與I有關(guān)。UHB特性當(dāng)控制電流I保持不變時(shí)，元件的開(kāi)路霍爾輸出隨磁場(chǎng)的增加不完全呈現(xiàn)線性關(guān)系，而有非線性偏離。3誤差分析及補(bǔ)償方法(1) 元件幾何尺寸及電極焊點(diǎn)大小對(duì)性能的影響幾何尺寸對(duì)性能的影響在霍爾效應(yīng)原理分析時(shí)，我們是將霍爾片的長(zhǎng)度L看作無(wú)窮大來(lái)考慮的。實(shí)際上，霍爾片的長(zhǎng)度是有限的，如

32、果L太小，當(dāng)小到某個(gè)極限值時(shí)，霍爾電場(chǎng)會(huì)被控制電流極短路，因此在霍爾電勢(shì)的表達(dá)式中增加一項(xiàng)與幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)， (2.1.15)：元件的形狀系數(shù)；實(shí)驗(yàn)(shyn)表明，當(dāng)L/b2時(shí)，形狀(xngzhun)系數(shù)fH(L/b)接近(jijn)1。為了提高元件的靈敏度，可適當(dāng)增大L/b值，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取L/b=2就足夠了。電極焊點(diǎn)大小對(duì)性能的影響霍爾電極的大小對(duì)霍爾電勢(shì)的輸出也存在一定的影響。按理想元件的要求，控制電流的電極應(yīng)與霍爾元件是良好的面接觸，而霍爾電極與霍爾元件為點(diǎn)接觸。實(shí)際上，霍爾電極有一定的寬度l，它對(duì)元件的靈敏度和線性度有較大的影響。研究表明，當(dāng)l/L0.1時(shí)，電極寬度的影響可忽略不

33、計(jì)。(2)不等位電勢(shì)U0及其補(bǔ)償制作霍爾元件時(shí)，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如圖，當(dāng)控制電流I流過(guò)元件時(shí)，即使磁感應(yīng)強(qiáng)度等于零，在霍爾電勢(shì)極上仍有電勢(shì)存在，該電勢(shì)稱(chēng)為不等位電勢(shì)U0。不等位電勢(shì)是產(chǎn)生零位誤差的主要原因。其等效電路如圖所示，若兩個(gè)霍爾電極在同一等位面上，則r1=r2=r3=r4，電橋平衡，U0=0。當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)（如圖2.1.3），因r3增大、r4減小，電橋平衡被破壞，使U00。有各種方法可以減小不等位電勢(shì)以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。圖2.1.3 不等位電勢(shì)示意圖及霍爾元件等效電路2.2磁敏半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱(chēng)MR元件。它的

34、理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。2.2.1磁阻效應(yīng)磁敏電阻是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱(chēng)MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。稱(chēng)此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大(jio d)的一種載流子引起電阻率變化，它可表示(biosh)為： (2.2.1)B為磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)；材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率；0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；載流子的遷移率

35、。當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)度)W(寬度)的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把LW長(zhǎng)方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢(shì)，這種柵格磁阻器件如圖2.2.1(b)所示，就相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場(chǎng)電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式

36、。2.2.2磁阻元件1長(zhǎng)方形磁敏電阻元件物理(wl)磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)同時(shí)存在。弱場(chǎng)時(shí)的磁阻比 (2.2.2)ms為磁阻平方(pngfng)系數(shù) (2.2.3)為橫向磁阻系數(shù)(xsh)，是常數(shù)；g為形狀系數(shù)；ms只隨形狀系數(shù)g變化磁阻平方靈敏度為： (2.2.4)SS與長(zhǎng)寬比l/b和厚度d有關(guān)。強(qiáng)場(chǎng)時(shí)的磁阻比 (2.2.5)強(qiáng)場(chǎng)時(shí)B/0為常數(shù)，則在強(qiáng)磁場(chǎng)下RB與B就成正比關(guān)系。2柵格型磁敏電阻高靈敏電阻結(jié)構(gòu)形式：在長(zhǎng)方形磁阻的長(zhǎng)度方向沉積許多金屬短路條； 將其分割成寬度都為b，l/bIc，電流放大倍數(shù)10，其中6 rnm穿孔的信噪比達(dá)到80，因此用磁敏傳感器陣列模塊作為金屬缺陷的漏磁檢測(cè)非

37、常適用3.3結(jié)論(jiln)UGN3503U磁敏傳感器陣列(zhn li)用于漏磁檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工件與陣列模塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度合理設(shè)計(jì)高通濾波器(微分電路)或帶通濾波器的截止頻率。與渦流檢測(cè)法相比，漏磁檢測(cè)對(duì)孔洞具有較高的測(cè)量靈敏度和信噪比，因此該陣列模塊尤其適用于安裝在管道(gundo)爬行器中，對(duì)在役長(zhǎng)輸管線的人為鉆孔破壞及大型油罐底部和不規(guī)則鋼板進(jìn)行漏磁探傷。 第4章 磁敏傳感器的發(fā)展趨勢(shì)4.1磁敏傳感器的發(fā)展(fzhn)現(xiàn)狀4.1.1國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀(xinzhung)1國(guó)內(nèi)磁傳感器的常見(jiàn)(chn jin)種類(lèi)及其特點(diǎn) 目前國(guó)內(nèi)磁敏傳感器經(jīng)過(guò)三十余年的發(fā)展，就基礎(chǔ)器件的研究與開(kāi)發(fā)情況，除巨磁阻期

38、間存有差距以外，常用其他磁敏傳感器如霍爾元件，磁阻元件等已經(jīng)與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平相當(dāng)。市場(chǎng)上應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)磁敏傳感器件的種類(lèi)也與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)，依然是霍爾元件、磁阻元件。 2國(guó)內(nèi)磁傳感器件代表廠商 霍爾元件：中科院半導(dǎo)體所，沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院，南京中旭微電子公司。 磁阻器件：沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院（匯博思賓尼斯公司） 3國(guó)內(nèi)磁傳感器的應(yīng)用情況 電流傳感器：國(guó)內(nèi)包括沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院（思賓尼斯公司）、西南自動(dòng)化所等二、三十家大小不同的企業(yè)在生產(chǎn)和銷(xiāo)售電流傳感器/變送器，其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)白熱化。該領(lǐng)域是國(guó)內(nèi)磁敏傳感器應(yīng)用最早、最普及、最成熟的領(lǐng)域。 直流無(wú)刷電機(jī)領(lǐng)域：InSb霍爾元件為主，主要用于直流無(wú)刷電機(jī)

39、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，并提供定子線圈電流換向的激勵(lì)信號(hào)。目前年需求量在幾億只。價(jià)格確僅有0.3元人民幣左右。該領(lǐng)域是磁敏傳感器用量最大的領(lǐng)域，但是在國(guó)內(nèi)目前未形成工業(yè)化生產(chǎn)。 流量計(jì)量領(lǐng)域：用于電子水表、電子煤氣表、流量計(jì)等流量發(fā)訊傳感器的低功耗薄膜磁體磁阻器件。日前，該產(chǎn)品由沈陽(yáng)儀表科學(xué)院匯博思賓尼斯傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn)，市場(chǎng)空間可觀。該領(lǐng)域是磁敏傳感器國(guó)內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d應(yīng)用領(lǐng)域，目前處于市場(chǎng)成長(zhǎng)期。 專(zhuān)用測(cè)量?jī)x表：高斯計(jì)，用于磁場(chǎng)檢測(cè)，在磁性材料生產(chǎn)及應(yīng)用方面用量較多，國(guó)內(nèi)有沈陽(yáng)儀表院思賓尼斯公司、北京師范學(xué)院等幾家公司生產(chǎn)，其中思賓尼斯公司的高斯計(jì)已經(jīng)批量出口美國(guó)。 另外，國(guó)內(nèi)的磁敏傳感器在

40、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量、偽鈔識(shí)別等領(lǐng)域，也均有應(yīng)用，但沒(méi)有形成規(guī)模。 4.1.2國(guó)外現(xiàn)狀(xinzhung)1國(guó)外磁傳感器的常見(jiàn)(chn jin)種類(lèi) 就市場(chǎng)占有情況來(lái)看，國(guó)外磁敏傳感器主要品種依然是霍爾元件、磁阻元件。近期的巨磁阻元件也有良好的發(fā)展(fzhn)空間。 2外磁傳感器的代表廠商： 霍爾元件：日本旭化成；日本東芝；美國(guó)Honeywell公司；美國(guó)Allogro公司。 磁阻器件：日本SONY公司；荷蘭PHILIPS公司。 3國(guó)外磁傳感器的應(yīng)用情況 磁敏傳感器應(yīng)用的最大特點(diǎn)是無(wú)接觸測(cè)量。 霍爾元件： 磁場(chǎng)測(cè)量，做高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的檢測(cè)探頭。 電流檢測(cè)，做電流傳感器/變送器的一次元件。 直流無(wú)

41、刷電機(jī)，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并提供激勵(lì)信號(hào)。 集成開(kāi)關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量。 強(qiáng)磁體薄膜磁阻器件： 位移傳感器，主要有磁尺的線性長(zhǎng)距離位移測(cè)量。 角位移傳感器，主要用語(yǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)。 脈沖發(fā)訊傳感器，主要用于流量檢測(cè)和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量。 半導(dǎo)體磁阻器件： 主要是InSb磁阻器件。 微弱磁場(chǎng)檢測(cè)，主要用于偽鈔識(shí)別。 脈沖測(cè)量，主要用于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量。 4.2磁敏傳感器的發(fā)展趨勢(shì)在中等強(qiáng)度的磁場(chǎng)檢測(cè)和磁敏傳感器中，已經(jīng)有一批相當(dāng)成熟的磁敏傳感器，可供各種應(yīng)用選擇。但弱磁場(chǎng)(例如10-4T以下)范圍的磁敏傳感器及三維磁敏傳感器則已成為磁敏傳感器的研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。信息產(chǎn)業(yè)的高度

42、發(fā)展，對(duì)磁存儲(chǔ)裝置的信息讀出提出了越來(lái)越高的要求。隨著記錄密度的提高，采用微細(xì)加工工藝制作的薄膜磁頭正迅猛發(fā)展，在世界磁頭市場(chǎng)中的地位由配角走上主角；磁阻磁頭因其讀出性能的優(yōu)異，使得研究和開(kāi)發(fā)都極為活躍。1988年，MNBaibich首次發(fā)現(xiàn)了由Fe/ Cr多層薄膜的層同界面散射的巨磁電阻效應(yīng)(Giant manetoresistance effect，簡(jiǎn)稱(chēng)作GMR) 。1994年，IBM公司宣布它應(yīng)用FeMn/NiFe/Cu/NiFe四層巨磁電阻效應(yīng)材料制成新型的讀出磁頭比單居MR磁頭靈敏度提高23倍。采用GMR磁頭將使硬盤(pán)的存儲(chǔ)密度達(dá)1010bit/in2。該公司還在與磁記錄有關(guān)的“第六屆

43、3M聯(lián)合會(huì)”上將其制作巨磁電阻磁頭的詳細(xì)情況作了報(bào)導(dǎo)，由此引發(fā)了各磁盤(pán)及磁頭廠家競(jìng)相加入了GMR磁頭的開(kāi)發(fā)工作。多媒體技術(shù)的廣泛應(yīng)用，要求(yoqi)硬磁盤(pán)的存儲(chǔ)密度提高，最好(zu ho)有數(shù)G字節(jié)(z ji)的容量。比如要容納一部 135分鐘的影像數(shù)據(jù)，即需3G字節(jié)的容量，如要提高畫(huà)面質(zhì)量或容納幾部影像，就要有10G字節(jié)以上的容量。據(jù)有關(guān)專(zhuān)家估計(jì)，到下世紀(jì)初，可能在家電內(nèi)裝置硬盤(pán)，用作所謂“節(jié)目冷藏庫(kù)”。這種設(shè)備必須有70G100G字節(jié)的容量，而需要10G/in2的記錄密度。在高密度化的硬盤(pán)中，記錄密度增高使從磁盤(pán)中漏出的磁通減小，需要具有再生靈敏度高的讀出磁頭。再生靈敏極高，是巨磁電阻頭

44、的最大優(yōu)點(diǎn)。目前，世界上許多大的信息產(chǎn)業(yè)財(cái)團(tuán)，如美國(guó)的NSIC、日本的SRC等，都在本國(guó)政府的支持下，組織數(shù)十個(gè)大企業(yè)和高校、研究所參加，爭(zhēng)相研制，形成了研究開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)初，很有可能形成新的磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，弱磁檢測(cè)磁敏傳感器的開(kāi)發(fā)倍受青睞，出現(xiàn)了各種各樣的新設(shè)計(jì)和新構(gòu)想。例如，利用硅微懸臂梁的機(jī)械諧振的集成磁敏傳感器，已有多種構(gòu)想，利用非晶帶作電感的隧道二極管振蕩器；利用非晶彈性模量隨磁場(chǎng)變化而檢測(cè)磁場(chǎng)的剪切波磁敏傳感器；利用非晶作磁芯，用交、直流同時(shí)激勵(lì)初級(jí)線圈，用次級(jí)線圈來(lái)檢測(cè)弱磁場(chǎng)的高靈敏磁敏傳感器；利用高溫超導(dǎo)體環(huán)的微波特性(例如品質(zhì)因數(shù)Q，dQ/dB的變化)

45、；利用高溫超導(dǎo)在77K下電阻隨磁場(chǎng)的變化率極大的特性研制出的超導(dǎo)磁電阻磁敏傳感器；利用一種非晶合金絲電流隨磁場(chǎng)極大變化而構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的“磁電感元件”等等，還有人提出利用趨磁性細(xì)菌體內(nèi)有Fe2O3微粒，可指示磁場(chǎng)的大小和方向，來(lái)做生物弱磁傳感器等等。在這些構(gòu)想中，表達(dá)了幾個(gè)共同的意向： 1檢測(cè)弱磁場(chǎng)，大都以靈敏度和分辨力達(dá)nT為研制目標(biāo)。2盡可能地按MEMS的思路，利用微機(jī)械加工和微電子線路進(jìn)行集成，使新開(kāi)發(fā)的傳感器適于大量生產(chǎn)，以期形成工業(yè)化產(chǎn)品。 3利用硅材料的優(yōu)越的機(jī)械性能，各類(lèi)非晶材料的磁性能，高溫超導(dǎo)材料的磁特性等等，即注重新材料的研制和開(kāi)發(fā)。 4利用微生物來(lái)做磁傳感器，雖然只是開(kāi)始，

46、但向人們展示了一種新的磁傳感器的領(lǐng)域。研制開(kāi)發(fā)的另一個(gè)熱門(mén)(rmn)領(lǐng)域，是二維或三維磁場(chǎng)(cchng)傳感器。雖然已有三維磁電阻(dinz)測(cè)場(chǎng)儀上市，但它們是用三個(gè)單維磁電阻經(jīng)二次集成組合起來(lái)的。它們的體積大而且組合精度決定于它們的空間位置。長(zhǎng)期以來(lái)，許多半導(dǎo)體磁敏傳感器學(xué)者們?cè)谥铝τ诙嗍占瘶O磁敏晶體管和分裂漏極MOS磁敏場(chǎng)效應(yīng)管的研究。并已分別制成許多高靈敏度或低功耗的半導(dǎo)體磁敏件。并已制成水平的和垂直的磁敏晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管。將這些磁敏管作在同一個(gè)芯片上組成三維磁敏傳感器，比用其它方法更為方便。這方面的研制工作已見(jiàn)有許多成功的報(bào)導(dǎo)。這樣，在一個(gè)單片上將敏感頭和信號(hào)處理電路集成在一起，能大大地縮小體積，提高空間分辨力。 早先，人們要求磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接口方便。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將傳感器和微處理機(jī)結(jié)合起來(lái)，制成了許多現(xiàn)成的、靈巧(Smart)型的功能磁敏傳感裝置。如Honewdl公司制作的