微型磁傳感器的工作原理及主要技術(shù)性能介紹

磁傳感器，就把磁場(chǎng)、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以種方式來(lái)檢測(cè)相應(yīng)物理量的器件。其實(shí)出特點(diǎn)是可以非接觸測(cè)量，檢測(cè)信號(hào)幾乎不受被測(cè)物的影響，耐污染、噪聲強(qiáng)，即使在很惡劣的環(huán)境條件下也能夠可靠地工作，堅(jiān)固耐用，壽命。正因?yàn)槿绱?，從防、航空航天到?guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)，從醫(yī)療衛(wèi)生到類(lèi)日常生活的諸多方面，都用到了這種傳感器。

磁傳感器以利用磁鐵的指南性作指南針航海為開(kāi)端。其后，作為感知磁場(chǎng)和磁通的元器件，相繼開(kāi)發(fā)出探測(cè)線(xiàn)圈，磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)，半導(dǎo)體霍爾元件和磁電阻元件，鐵磁薄膜各向異性磁電阻(AMR)元器件，還有使用塊狀鐵氧體磁芯的應(yīng)力傳感器，使用熱敏鐵氧體磁芯的溫度傳感器，利用亞鐵磁石榴石磁光效應(yīng)的光纖電流傳感器，高靈敏度超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID)，等等?？傊?，磁傳感器的種類(lèi)甚多，更新?lián)Q代頻繁。

磁傳感器通常都是組裝在機(jī)器、設(shè)備內(nèi)部來(lái)使用的。現(xiàn)代整機(jī)正迅速向小型輕便、多功能、智能化方向發(fā)展，要求所用傳感器即使對(duì)微小空間內(nèi)物理量的變化也能夠高靈敏度、高速度地做出響應(yīng)。即在傳感器本身需要小型輕量化的同時(shí)，還迫切希望提高其工作速度、檢測(cè)分辨率和靈敏度。

半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)、微組裝技術(shù)的推廣應(yīng)用，磁性薄膜、非晶、多層膜、納米磁性絲等新材料和平面線(xiàn)圈微磁器件制造工藝及表征手段的不斷進(jìn)步，為磁傳感器的小型化、微型化奠定了可靠的基礎(chǔ)，應(yīng)用各種新效應(yīng)的許多新型高性能、小型化及微型化磁傳感器正不斷投放市場(chǎng)。早期上市的AMR薄膜敏感元件和傳感器，新近推出的GMI傳感器、SI傳感器、SV-GMR傳感器，和即將實(shí)用化的薄膜磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)、無(wú)線(xiàn)磁彈微型傳感器陣列，就是其中的典型代表。

微型磁傳感器的工作原理及主要技術(shù)性能介紹

2 新式微型磁傳感器

2.1 高靈敏度GMI和SI微型磁傳感器

GMI磁傳感器由低磁致伸縮材料和CMOS集成電路構(gòu)成，利用磁性材料的巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)工作。所謂GMI效應(yīng)，就是給低磁致伸縮非晶絲或者圖形化薄膜元件加上高頻(》10kHz)電流時(shí)，受外部磁場(chǎng)的作用，敏感元件的磁導(dǎo)率和趨膚效應(yīng)就隨磁場(chǎng)變化，結(jié)果，電感和電阻即阻抗發(fā)生急劇變化的現(xiàn)象。1992年，名古屋大學(xué)教授毛利佳年雄等人最先報(bào)導(dǎo)了這一新效應(yīng)[1]。他們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，用快淬富鈷非晶絲，經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后，其阻抗變化率(△Z/Z)可達(dá)100～300%。近來(lái)，V·Zhukova等人報(bào)告，用成分為Co67Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7的非晶細(xì)絲，在最佳條件(金屬核直徑/絲總直徑ρ=0.98，在頻率f=10MHz，通過(guò)電流I=0.75mA)下，由磁場(chǎng)感生的(△Z/Z)max≈615%。[2]另?yè)?jù)日本東北大學(xué)教授荒井賢一報(bào)告，將銅導(dǎo)體(厚3μm，寬0.5mm)夾在非晶磁膜(Co73Si12B15合金：厚2μm，寬2mm，長(zhǎng)10mm)中間，并在其間加上SiO2絕緣層，在元件長(zhǎng)度方向施加直流外磁場(chǎng)和通過(guò)10MHz載波電流時(shí)，也可以得到大約600%的阻抗變化率和0.8%(A/m)的電壓變化量。

GMI磁傳感器實(shí)用化的關(guān)鍵，一是選擇合適的磁性材料，二是針對(duì)具體應(yīng)用采用恰當(dāng)?shù)碾娐废到y(tǒng)。目前，日本Unitika股份有限公司已能夠批量供應(yīng)這種傳感器用的絲材，它是把非晶合金CoFeSiB(λs=-10-7)冷拉成15～30μm直徑，以后進(jìn)行張力退火，在其表層感生出精確的圓周各向異性。也有將Co85Nb12Zr磁膜加工成長(zhǎng)條形作傳感器和用Co73Si12B15非晶磁膜與銅導(dǎo)體、SiO2絕緣層構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，做成外鐵閉合磁路型傳感器的。1997年，T·Kanno等人摸索到利用脈沖電流響應(yīng)磁阻抗效應(yīng)的CMOSFET傳感器電路;高分辨率線(xiàn)性傳感器在傳感器電子線(xiàn)路中用負(fù)反饋回路，對(duì)高穩(wěn)定開(kāi)關(guān)型傳感器則采用正反饋回路。日本愛(ài)知制鋼公司于2001年用直徑30μm長(zhǎng)2mmCoFeSiB非晶絲開(kāi)發(fā)出可高密度制造的CMOS型磁阻抗傳感器集成電路芯片，2002年又用φ20μm長(zhǎng)1μmCoFeSiB非晶絲微機(jī)加工成CMOS型磁阻抗傳感器集成電路芯片。證明可向市場(chǎng)提供低成本大批量的GMI微型磁傳感器產(chǎn)品。這種產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)列于表1，并向其他常用高性能磁傳感器產(chǎn)品進(jìn)行了比較。

2.2 SV-GMR傳感器及其陳列

巨磁電阻(GMR)效應(yīng)，最初是用厚度為數(shù)個(gè)原子層(數(shù)nm)的Fe/Cr多層膜，在4.2K加上1.6×107A/m磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的，[7]其電阻值的變化(△R/Ro，△R=R11-R1)高達(dá)46%，而且有AMR效應(yīng)的單層金屬膜最大才4～6%。1991年P(guān)arkin等人用Co/Cu多層膜，在室溫下加磁場(chǎng)，使其電阻的變化達(dá)到了65%。但是，這種電阻變化所需的磁場(chǎng)太高，難以實(shí)用化。后來(lái)，改由易磁化自由磁性層(NiFe等)/銅間隔層/難磁化釘扎層(如Co)/反鐵磁交換耦合層(FeMn等)組成的所謂SV-GMR結(jié)構(gòu)元件，和CMOS集成電路結(jié)合，在高密度HDD機(jī)中首先被實(shí)際用作讀出磁頭，接著又開(kāi)發(fā)出實(shí)用型高靈敏度磁場(chǎng)傳感器?，F(xiàn)正在進(jìn)行使用多個(gè)SV-GMR元件的微型磁傳感器陣列開(kāi)發(fā)。

2.3 薄膜磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)

傳統(tǒng)的磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)，普遍用來(lái)測(cè)量1nT～1mT的弱磁場(chǎng)，分辨率可達(dá)到0.1nT。它們?cè)诤教祜w行器姿態(tài)控制，探礦、考古、空間磁場(chǎng)探測(cè)和深潛探雷等軍事活動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用。

這種傳統(tǒng)器件常用兩個(gè)數(shù)厘米大的磁棒成磁環(huán)和多匝線(xiàn)圈構(gòu)成。因而，很難小型化。此外，在使用過(guò)程中用手調(diào)節(jié)，需單獨(dú)校準(zhǔn)，給操作帶來(lái)不便，成本也高。為此，正在積極開(kāi)發(fā)磁性薄膜微型磁通門(mén)器件。

微型磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)，系采用微電子技術(shù)，即用磁性薄膜、微機(jī)加工或標(biāo)準(zhǔn)平面工藝制成的勵(lì)磁線(xiàn)圈與檢測(cè)線(xiàn)圈制成。P·Ripka等人在硅基片上電鍍上、下兩層4μm的坡莫合金作磁芯，用3μm厚鋁加工成的2個(gè)金屬層被夾在坡莫合金層之間。用光刻工藝，使鋁形成一個(gè)扁平勵(lì)磁線(xiàn)圈和2個(gè)反串聯(lián)的檢測(cè)線(xiàn)圈;將坡莫合金膜光刻成4根長(zhǎng)0.7mm長(zhǎng)條，對(duì)稱(chēng)地放置在線(xiàn)圈兩邊，由它們組成勵(lì)磁的兩通道閉合磁路。整個(gè)器件類(lèi)似一個(gè)雙磁通門(mén)傳感器，芯片尺寸只有2.5×4mm2。經(jīng)檢驗(yàn)，用脈沖勵(lì)磁的噪聲是20nTrms，磁滯在1mT以?xún)?nèi)，6mT磁場(chǎng)沖擊引起的打火低于5μT。

3 應(yīng)用及市場(chǎng)

新型磁傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，已創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)效益，加速了工業(yè)自動(dòng)化、管理集約化、辦公自動(dòng)化和家庭生活現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)，加快了工業(yè)化社會(huì)向信息化社會(huì)轉(zhuǎn)變的步伐。

在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)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，它們將發(fā)揮愈來(lái)愈重要的作用。

3.1 在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造中的應(yīng)用及市場(chǎng)

據(jù)網(wǎng)上報(bào)道，1995年僅工業(yè)過(guò)程控制傳感器的全球市場(chǎng)已達(dá)到260億美元;2001年計(jì)算機(jī)HDD用SV-GMR磁頭的市場(chǎng)超過(guò)了4000億日元(約合34億美元)。雖然有很多種電子傳感器，例如電容式傳感器、聲表面波傳感器等可為這些應(yīng)用提供良好的性能，但是這些平臺(tái)，在傳感器和數(shù)據(jù)處理電子器件之間要用有形的接插件直接聯(lián)接，或者在傳感器和檢測(cè)器之間需要精確校準(zhǔn)與調(diào)整。若采用新型微型磁傳感器，特別是無(wú)線(xiàn)無(wú)源(無(wú)電池)器件，則可省去這些麻煩。這樣，既使操作更簡(jiǎn)便，又提高了可靠性，增長(zhǎng)了器件壽命，降低了成本。

使用新型磁傳感器可以顯著提高測(cè)量和控制精度，如用前述的GMI磁場(chǎng)傳感器，檢測(cè)分辨率和常用磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)一樣，而響應(yīng)速度卻快了一倍，消耗功率僅為后者的1%;若用霍爾器件，其分辨率僅4A/m，而所需外場(chǎng)比前者高300余倍;在應(yīng)力檢測(cè)中，SI傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導(dǎo)體應(yīng)變規(guī)的20～40倍。工業(yè)機(jī)床的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測(cè)，廣泛采用套在活塞桿上的永磁環(huán)和AMR元件組成的磁傳感器，檢測(cè)精度0.1mm，檢測(cè)速度可在0～500mm/s內(nèi)以高低速度變換;改用GMI或SV-GMR傳感器后，測(cè)量精度至少可以提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。

數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人及工廠(chǎng)自動(dòng)化相關(guān)設(shè)備的位置檢測(cè)、傳輸速度控制，目前仍大量使用光編碼器。由于這種器件易受粉塵、油污和煙霧的影響，用在自動(dòng)焊接、油漆機(jī)器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應(yīng)用AMR、GMR、GMI敏感元件構(gòu)成的磁編碼器，就不存在上述缺點(diǎn)，因此，它們的市場(chǎng)需求年增長(zhǎng)率在30%以上。微型磁編碼器和控制微機(jī)一體化，有利于簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少元件數(shù)和占空體積，這在精密制造和加工業(yè)中意義十分重大。

各種精密、超精密線(xiàn)位移磁傳感器已大量用于精密加工機(jī)床、專(zhuān)用機(jī)床、半導(dǎo)體制造設(shè)備和三維測(cè)量設(shè)備。使用高靈敏度、高速響應(yīng)的磁敏元件的電流傳感器、磁極位置傳感器等，在各種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制中擔(dān)負(fù)著重要角色。在機(jī)床數(shù)控化時(shí)代，數(shù)字磁尺幫助設(shè)計(jì)師們實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。使用絕對(duì)信號(hào)輸出的磁尺不受噪聲、電源電壓波動(dòng)等干擾，也不必原點(diǎn)復(fù)位。使用工作狀態(tài)磁敏開(kāi)關(guān)，還可以完成手動(dòng)與數(shù)控之間的轉(zhuǎn)換。

3.2 在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

環(huán)境保護(hù)的前提是對(duì)各個(gè)環(huán)境數(shù)(溫度、氣壓、大氣成份、噪聲。..。..。)的監(jiān)測(cè)，這里需要使用多種大量的傳感器。采用前述的強(qiáng)磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時(shí)測(cè)量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測(cè)和遠(yuǎn)距離訪(fǎng)問(wèn)。在食品包裝、環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面，應(yīng)用前景廣闊。