本文說明為何使用磁性傳感器以及它們能解決什么樣的問題。概述了磁性傳感器的應(yīng)用環(huán)境和所使用的磁性傳感器。本篇描述了三個典型測量的磁場范圍遠大于地球(磁場相似于地球磁場和遠小于地球磁場以及每個磁場范圍最適用的傳感器型號討)。論線圈磁通量閘門、霍爾效應(yīng)傳感器、磁阻和巨磁阻磁性傳感器的工作原理、介紹磁性傳感器的優(yōu)缺點以及已認(rèn)證的產(chǎn)品應(yīng)用。

　　作者 和: TAMARA BRATLAND ROBERT BICKING BHARAT B. PANT 

　　磁性傳感器為電流傳感、接近傳感、線性速率或轉(zhuǎn)動速率傳感，定向磁異態(tài)檢測，角度、位置或位移測量等許多傳感方面的問題提供了獨特的解決方案。了解磁性傳感器技術(shù)背后的概念和它們最合適的應(yīng)用將有助于幫您決定選擇的磁性傳感器是否對您的應(yīng)用有利。

　　磁性傳感器用于檢測磁場的存在，測量磁場的大小，確定磁場的方向或測定磁場的大小或方向是否有改變。磁性傳感器可用于檢測靜止的或如汽車、卡車或火車等運動的鐵磁物體；門或閂鎖的關(guān)閉，如飛機貨艙門：一個物體的位置，如鍵盤上的按鍵；如發(fā)動機中軸的旋轉(zhuǎn)運動；一個物體的部位如閥軸或機械手；或者用于跟蹤虛擬現(xiàn)實和運動控制等應(yīng)用。　　

　　磁場測量可分為三個范圍。在每個范圍中，能在其環(huán)境中處于最佳工作狀態(tài)的磁性傳感器型號也不同。第一個磁場范圍遠大于地球磁場(如在永久磁鐵或大電流附近)。其范圍為 100 奧斯特(Oe) 或更高。第二個磁場范圍約等于地球磁場或0.6 Oe 。第三個磁場范圍遠遠小于地球磁場，它們在 1 mOe 或更低范圍內(nèi)。地球磁場常用作受鐵磁物體干擾的背景磁場，如在磁異態(tài)檢測中的鐵磁物體。表 1 給出了用于不同磁場范圍的傳感器型號 �！　�

　　　　　　　　　　　　　　　

　　何時使用磁性傳感器?   　　

　　極少的應(yīng)用場合只需要一個磁場測量，更確切地說是將現(xiàn)有的或已建立的磁場用于感測其它信息。以下是幾個實例: (1)電流傳感，此處將載流線產(chǎn)生的磁場用于監(jiān)控電路中的過負(fù)荷狀態(tài)或蓄電池的狀態(tài)；(2)定向，將地球磁場的兩個水平分量用來計算相對于磁北的角度；(3)磁異態(tài)檢測，此處將由鐵磁物體產(chǎn)生的對地球磁場的干擾(如一個鐵釘、金屬螺栓、汽車、潛艇或地磁巖石)用來檢測這些物體是否存在。一旦表現(xiàn)出有相同的干擾也能用來識別該物體的類型(如汽車實體或模型) 。

　　另一個例子是齒輪齒傳感(圖1)，此處傳感器與一塊磁鐵和齒輪齒的組合一起使用。齒輪齒或凹槽對磁鐵產(chǎn)生的磁場有不同的干擾，就可將齒輪齒與凹槽辨認(rèn)開來。這個數(shù)據(jù)可用于測量齒輪的轉(zhuǎn)速�！　�

　　　　　　　　　　　　　　

　　磁性傳感器，通常稱為磁力計，有不同的物理原理和設(shè)計結(jié)構(gòu)。下面我們將討論各種磁性傳感器中使用的不同技術(shù)。

　　線圈 　　

　　線圈是最老式的磁性傳感器之一。根據(jù)法拉弟定律，通過線圈的磁通量有任何變化都將導(dǎo)致線圈產(chǎn)生電動勢，在時變磁場區(qū)中放置一個耦合線圈就可工作。通過改變磁場就能測量線圈中感應(yīng)的電壓。當(dāng)穿過導(dǎo)電回路的磁通量有量的變化，這個回路中就會產(chǎn)生電壓。感應(yīng)的電壓=磁通量變化/時間變化 　　

　　線圈型傳感器用于需測量變動場變化的應(yīng)用場合。對這種原理有許線圈的一個常見多不同的實施方法。的應(yīng)用是用來觸發(fā)紅綠燈信號的埋在道路中的電路回路。系統(tǒng)執(zhí)行時線圈通常大而成本高。

　　磁通門

　　磁通門(圖 2)，同樣基于法拉第定律，通常是用兩個鐵磁材料制成的桿，但也可以是用一次或二次繞組繞成的環(huán)或圈。這兩個桿用一次繞組纏繞，以相反方向產(chǎn)生驅(qū)動磁場。頻率在驅(qū)f 的交流電在一次繞組中流動動，在磁場的作用下兩個桿的磁化作用處于相反方面。二次繞組測量。在未施加外部磁場時，假定兩個桿和一次線圈是相同的，則在二次線圈里的凈磁通量為零。這樣在此線圈中就不會有信號產(chǎn)生。當(dāng)沿著桿的軸線方向施加一個外部磁場時，其中的一個桿將先于另一個桿磁性飽和。磁通門的輸出是驅(qū)動頻率f的第二諧波。施加一個小磁場時，第二諧波的波幅與施加的磁場成正比�！　�

　　　　　　　　　　　　　　　

　　磁通門可以在制造工藝上使其非常敏感，分辨率最低為 1 Oe�？梢詼y量直流或交流磁場。頻率的上限約為10 kHz與霍爾和磁阻傳感器相比，它們的尺寸規(guī)格較大，價格也更貴。

　　霍爾效應(yīng)傳感器 

　　霍爾效應(yīng)傳感器用于測

　　10 Oe至幾千Oe的磁場強度，對于強磁場的測量最為理想 。在存在磁場的情況下，霍爾效應(yīng)發(fā)生在載電流的金屬或半導(dǎo)體中。最常用的霍爾效應(yīng)傳感器是硅型霍中爾傳感器，其中信號調(diào)節(jié)電子器件被集成在芯片上。

　　圖 3 中所示為導(dǎo)電材料的矩形薄板，沿Y軸施加了一個電壓VS，在板的霍垂直方向施加了一個磁場 B(沿 Z 軸)，霍爾電壓VH由下式求得VH= uH(W/L)BVs  其中uH是霍爾遷移，W是霍爾板的寬度，L 是長度�！　∮捎诼鍋銎澚ψ饔迷谟脤�(dǎo)電材料制成的電荷載體上而產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)等于：F=q(vB) 其中 q 是電荷載體上的電荷，v 是電荷載體的速度，B 是磁場，力使電流變形，并將其擠向?qū)щ姲宓囊粋?cè)。這造成 X 軸上的等勢線變，形導(dǎo)致產(chǎn)生霍爾電壓。如果霍爾板的長度遠大于寬度，則霍爾電磁場與洛侖茲力相平衡。電流變成與 Y軸平行。最實用的半導(dǎo)體霍爾元件一般來說是正方形。此時電流相對于勵磁電壓有一個角度。 

　　　　　　　　　　　　　　

　　硅片中霍爾效應(yīng)的靈敏度約為7 V/V/Oe。由于硅是壓敏電阻材料所以通過硅的封裝而施加在霍爾元件上的應(yīng)力會導(dǎo)致在機械和溫度效應(yīng)共同作用下的零位偏移誤差。硅片中霍爾效應(yīng)在百分之幾到幾千Oe 的范圍內(nèi)是呈線性，的可檢測的最小磁場為 1Oe 的數(shù)量級�！　�

　　霍爾裝置的應(yīng)用包括齒輪傳感、旋轉(zhuǎn)位置傳感器和電流傳感器。電流傳感器如圖 4 所示。在汽車業(yè)中使用的新型火花點火發(fā)動機有一個直接點火系統(tǒng)系統(tǒng)，內(nèi)每個汽缸或每對汽缸都使用一個點火線圈，去除了分布器。內(nèi)含有一個永久偏磁和一個霍爾效應(yīng)傳感器的齒輪傳感器對曲軸和凸輪軸進行計時。使用兩個廉價的鐵質(zhì)磁極片可制成一個旋轉(zhuǎn)位置傳感器，將磁性信號從旋轉(zhuǎn)的磁棒送至霍爾傳感器。帶有凹槽的環(huán)形磁芯霍爾 IC 位于這個凹槽內(nèi)， 可用來制成一個電流傳感器。也可制成線性和數(shù)字輸出傳感器，其工作范圍為 10A 至 1000A�；魻栄b置的其它應(yīng)用包括鍵盤開關(guān)、磁強計和位置傳感器�！�

　　　　　　　　　　　　　　

　　磁阻傳感器 

　　各向異性磁阻(AMR)發(fā)生在鐵質(zhì)材料中。如圖 5 所示， 當(dāng)施加的磁場垂直料中于用鐵質(zhì)材料制成的薄板中的電流時，它本身的電阻明顯有變化。磁阻傳感器傳感沿著空間一個方向的磁場，在此模式范疇內(nèi)，它們屬于霍爾效應(yīng)傳感器和SQUID(超導(dǎo)量子干涉裝置之間的傳感器)。 SQUID 可測量小于 1  µOe 幾個數(shù)量級的磁場。磁阻傳感器通常用于測量µOe 到 10Oe 的磁場。 
　　　　　　　　　　　　　

　　惠斯頓電橋是磁阻傳感器的基礎(chǔ)電氣元件。圖5說明了磁阻傳感器的工作原理和一個MR板對外部磁場的典型響應(yīng)。圖6所示為用四個磁控電阻器制成的惠斯頓電橋帶有一個供電電壓Vb，致使電流通過電阻器。如圖所示，施加一個偏磁場，使在所有電阻中的磁化強度和電流間有一個約45°的夾角。如果電阻器是同一種結(jié)構(gòu)，則所有四個電阻器的電阻是相同的，正交施加磁場h的R.A，使兩個反向放置的電阻器磁化而轉(zhuǎn)向電流，使電阻有一個增量△R，在剩下的兩個反向放置的電阻器中，由于磁化而轉(zhuǎn)離電流，導(dǎo)致電阻減少△R 。

　　　　　　　　　　　　　　
　　電橋輸出為 △Vout=( △R/R)Vb。作為施加磁場函數(shù)的電橋輸出 △Vout被稱為傳感器的傳遞函數(shù)。在線性區(qū)內(nèi)，輸出與施加的磁場成正比( △V=S h Vb)靈敏度S和傳遞函數(shù)的線性范圍對于傳感器來說是兩個重要特征。傳遞函數(shù)的線性范圍與靈敏度成反比 。  

　　磁阻傳感器是由一長條鐵磁薄膜(如透磁合金、鎳鐵合金)制成的。用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)將這些薄膜熔制在硅片上。板的厚度有幾百埃(150-500)，寬度為幾十微米(10-50)，長度從幾百至幾千微米 。 

　　MR 傳感器有下列屬性，使它們在眾多應(yīng)用中都可選用 ：尺寸小 。1.高靈敏度，使傳感器可距被測鐵磁物體一段較長的距離 。2.由于內(nèi)阻抗小，使其對電磁噪聲和干擾不敏感。3.由于是固態(tài)溶液，無轉(zhuǎn)動部件，使它具有高度可靠性。　　4.由于部件能方便地裝入在插板產(chǎn)品中，而使實施成本降低。  

　　MR 傳感器(圖 7)，為異態(tài)檢測提供高靈敏度和獨特的解決方案，可根據(jù)物體的磁性信號的特征支持對物體的識別。這些特性可應(yīng)用于檢測如武器等的安全系統(tǒng)中，或用于在收費公路上對車輛進行檢測。它特別適用于貨幣鑒別，跟蹤系統(tǒng)，如在虛擬現(xiàn)實設(shè)備中，和固態(tài)電子定向羅盤中。與磁鐵組合也可用于齒輪傳感。MR 傳感器可傳感芯片平面內(nèi)沿一個方向的磁場。這使其可與能傳感沿芯片平面法向磁場的霍爾效應(yīng)裝置區(qū)別開來。這可使應(yīng)用設(shè)計者以霍爾效應(yīng)傳感器無法使用的幾何構(gòu)型使用 MR 傳感器，例如當(dāng)需要一個薄型傳感器時。需用一個或幾個MR傳感器的其它應(yīng)用，包括機械手的位置和虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品中盔的位置和定向。許多應(yīng)用既可使用霍爾效應(yīng)傳感器也可使用MR傳感器，但在需要低靈敏度，而較寬的線性范圍時，應(yīng)使用霍爾效應(yīng)傳感器；在要求高靈敏度時，則使用 MR 傳感器 。

　　　　　　　　　　　　　
　　巨磁阻效應(yīng)  

　　巨磁阻效應(yīng)(GMR)是最近才發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，它基于電子通過數(shù)層疊層中，非常薄的鐵磁層和非磁性層(25-50 埃)之間的界面散射，這是由于磁阻效應(yīng)與上述 AMR效應(yīng)相比顯得大而如此命名。當(dāng)兩個相鄰的鐵磁層有反向磁化強度時，電阻要高于它們在同一方向上的磁化強度矢量。

　　GMR是由法國的 M. N. Baibich 等人在1988年發(fā)現(xiàn)的，已成為重大研究課程。通過新興的 GMR 技術(shù)我們有希望制造出高靈敏度的小型傳感器。迄今為止GMR 效應(yīng)需要工作在高強度的磁場并伴有高分貝噪聲，這使得它不能應(yīng)用于大范圍的傳感器產(chǎn)品中。電阻變化所需的磁場變化需從10 Oe到幾千Oe，而靈敏度尚未達到 MR 或磁通門裝置的靈敏度。但正繼續(xù)朝著開發(fā)更低磁場的方向發(fā)展。

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