一文读懂磁传感器
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我们伟大中华祖先的四大发明之一——指南针，可谓是无人不知啊，对于现代传感器技术来讲，它可算得上是磁传感器的鼻祖了。 而在当今的电子时代，磁传感器在电机、电力电子技术、汽车工业、工业自动控制、机器人、办公自动化、家用电器及各种安全系统等方面都有着广泛的应用。 磁传感器 磁传感器是一种把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。用于感测速度、运动和方向，应用领域包括汽车、无线和消费电子、军事、能源、医疗和数据处理等。 磁传感器市场按照技术进步的发展，主要分为四大类： 霍尔效应(Hall Effect)传感器、 各向异性磁阻(AMR)传感器、 巨磁阻(GMR)传感器 隧道磁阻(TMR)传感器 其中，霍尔效应传感器的历史最悠久，获得广泛应用。随着持续的技术研发，各种磁传感器诞生，并拥有更优异的性能、更高的可靠性。 霍尔效应(Hall Effect)传感器 1879年，美国物理学家霍尔在研究金属导电机制时发现了霍尔效应。但因金属的霍尔效应很弱而一直没有实际应用案例，直到发现半导体的霍尔效应比金属强很多，利用这种现象才制作了霍尔元件。 在半导体薄膜两端通以控制电流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场强度与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，这个现象叫做霍尔效应。在垂直于电流和磁场的方向上，将产生的内建电势差，称为霍尔电压U。 霍尔电压U与半导体薄膜厚度d，电场B和电流I的关系为U=k(IB/d)。这里k为霍尔系数，与半导体磁性材料有关。 霍尔效应示意图 霍尔传感器利用霍尔效应的原理制作，主要有霍尔线性传感器、霍尔开关和磁力计三种。 1. 线性型霍尔传感器 由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如下图所示，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。 线性型霍尔传感器工作原理 霍尔线性器件拥有很宽的磁场量测范围，并能识别磁极。其应用领域有电力机车、地下铁道、无轨电车、铁路等，还可用于变频器中用于监控电量、光伏直流柜监测光伏汇流箱实时输出电流的作用、电动机保护等。 线性霍尔传感器还可以用于测量位置和位移，霍尔传感器可用于液位探测、水流探测等。 2. 开关型霍尔传感器 由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。 开关型霍尔传感器工作原理 霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高，工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。开关型霍尔传感经过一次磁场强度的变化，则完成了一次开关动作，输出数字信号，可以计算汽车或机器转速、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、机车的自动门开关、无刷直流电动机、汽车点火系统、门禁和防盗报警器、自动贩卖机、打印机等。 3. 磁力计 是利用霍尔效应产生的电势差来测算外界磁场的大小和极性。磁力计是采用CMOS工艺的平面器件。工艺相对一般IC更为简单，一般采用P型衬底上N阱上形成传感器件，通过金属电极将传感器与其他电路(如放大器、调节处理器等)相连。 但这样设计的的霍尔传感器只能感知垂直于管芯表面的的磁场变化，因此增加了磁通集中器(magnetic flux concentrator)，工艺上来讲就是做原来的管芯上增加一层坡莫合金，可探测平行于管芯方向的磁场。由此，霍尔传感器实现了从单轴到三轴磁力计的跨越式发展。 图(a)增加磁通集中器的霍尔传感器的顶视图 图(b)增加磁通集中器的霍尔传感器的剖面图 磁力计广泛应用于智能手机、平板电脑和导航设备等移动终端，拥有巨大的市场前景。同时，磁力计可以与加速度计组成6轴电子罗盘，三种惯性传感器(加上陀螺仪)组合在一起还能实现9轴组合传感器，构成更强大的惯性导航产品。 各向异性磁阻(AMR)传感器 某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。 1857年，Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。 当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的;但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低, 我们对这种特性称为各向异性磁电阻效应(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,简称AMR)。磁场作用效果下图。 坡莫合金的AMR效应 磁阻变化值与角度变化的关系 薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化，电阻与磁场特性是非线性的，且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系。从上图中，我们可以看到，当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感，在电流方向和磁化方向成45度角度时，一般磁阻工作于图中线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。 AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb，电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加;而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。 |
