磁敏傳感器發展綜述

李 鋒

(萊蕪職業技術學院，濟南 250000)

1 磁敏傳感器原理

要想對磁敏傳感器進行分析，需要對磁阻效應和霍爾效應有充分的了解。霍爾效應是指一個在磁場中靜止的載流導體或半導體，當它出現電流和磁場二者方向不同時，在導體的電流方向和磁場方向兩個垂直面上出現一定量的電動勢，這種電動勢就是霍爾電勢。霍爾元件是被置于磁場中的電子元件，導致霍爾效應產生的直接原因是霍爾元件在磁場中受到洛倫磁力的影響，橫向發生了漂移運動。如圖1所示，假設導體厚度為d，寬度為l，沿x軸方向通有電流強度I，當在y軸方向加以勻強磁場B時，在導體薄片的上下兩側(圖中的A，A’)產生一電位差UAA’。

圖1 霍爾效應原理Fig.1 Principle of Hall effect

若想要計算被加到載流導體上的磁場對于電子施加的力，也就是洛倫茲力，就要用到F=ev×B這一公式。式中，e=-q是電子電荷,v是電子的運動速度。電子受到這份力的作用，不得不偏離原本的路線。如果由于晶格之間發生碰撞，引起的弛豫時間過短，那么向導體另一側漂移的電子將產生橫向電場，這將會對電子的進一步漂移運動產生影響。若弛豫時間相當長，那么電阻就會在很大程度上得到增長，也就是半導體的磁阻效應。

物理意義上的磁阻效應和幾何學上的磁阻效應共同組成了磁阻效應。物理磁阻效應的狀態一共有3種：在磁場較弱時，(ρnB-ρn)/ρn與B2成正比。在強磁場時，(ρnB-ρn)/ρn與B成正比。假設磁場無限大，那么電阻率ρ就會無限接近飽和狀態。在假定磁場的作用不發生變化的情況下，因為導體材料幾何形狀不同，就會導致電阻值產生各種各樣的變化，這就是幾何磁阻效應。

2 磁敏傳感器研究進展

磁敏傳感器是具有高電子遷移率化合物半導體的具體應用。制造磁敏傳感器所用材料為InSb和GaAs。磁敏傳感器在電磁方面的最直接應用是監測磁場大小及方向，研究人員也在積極利用計算機新技術不斷豐富磁敏傳感器的應用。通過對傳感磁場的應用，許多物理量都能夠轉化為電信號，這極大拓寬了磁敏傳感器的應用領域。電子信息技術的發展將集成電路技術應用于磁敏傳感器，形成了集成電路磁敏傳感器。一般的平面霍爾器件都對垂直于表面的磁場敏感，為了對磁場矢量的傳感和測試，國內外許多院校和科研單位正研究對平行于表面的磁場敏感的垂直霍爾器件，并在集成電路的基礎上形成了集成的磁羅盤和三維霍爾磁敏傳感器。此外，霍爾器件電路的性能也有了極大的提高。采用了4個霍爾元件并聯并正交放置，可以降低不等位電勢，在N型半導體霍爾元件硅基底和二氧化硅間放置一層P型掩蔽層，除去了表面可移動電荷的影響，改善了霍爾元件的線性度，提高了靈敏度。霍爾電路中的過流保護電路和過熱熔斷電路以及溫度補償電路等，其工作溫度達到150℃，能承受瞬時180℃的高溫，因此霍爾元件在發動機定時點火和汽車ABS中可靠實用，可用于大功率直流無刷電機中。目前，技術成熟并已經較大規模地投入使用的磁傳感器類型如表1。

表1 磁敏傳感器與相應的物理效應Tab.1 Magneto-dependent sensor and corresponding physical effect

銻化銦磁阻薄膜的發展使制作的霍爾元件具有靈敏度高、用量大、體積小、便于使用等特點，成本大幅下降，產能劇增，國際市場年需求量約20億只，國內市場年需求量約2億只。強磁體合金薄膜和巨磁電阻多層薄膜的研究與開發促進了各種磁阻器件的發展，應用領域廣泛。新器件具有靈敏度較高、穩定性較強等特點，在學術界產生了較大的討論。另外，非晶合金材料和Ⅲ—V族半導體異質結構材料的開發和應用發展迅速，利用這類材相對高的電子遷移率、低的表面電子濃度以及寬的禁帶寬度，得到了較低的溫度系數和噪聲，提高了靈敏度，大大改善了磁敏傳感器的性能。

3 國內外磁敏傳感器的發展現狀

國外市場的應用類型主要是霍爾元件和磁阻元件。近年來，巨磁阻元件也有著較為巨大的發展潛力。不接觸便能進行測量是磁敏傳感器應用的最大優點。霍爾元件也得到了廣泛的應用。磁場測量：以測量結果為參考制作特斯拉計的檢測探頭，制作電流傳感器、變送器的一次元件。直流無刷電機：對轉子位置進行監測，并提供激勵信號。位移傳感器：利用磁尺進行長距離測量。角位移傳感器：主要用于轉動角度測量，在汽車制造行業中取得了較大成績。霍爾元件主要的生產廠家有日本旭化成公司、東芝，美國Honeywell公司、Allogro公司。主要代表商有日本SONY公司和荷蘭PHILIPS公司。

目前，國內磁敏傳感器在技術方面除了巨磁阻器件和發達國家的生產企業存在較大差距以外，其他常用磁敏傳感器，如霍爾元件、磁阻元件等的生產技術與國外廠家差距不大。在直流無刷電機領域，以銻化銦霍爾元件為主，經常被應用于直流無刷電機中轉子位置的監測，還應用于電流傳感器、專用測量儀器儀表及轉速、轉數測量，偽鈔識別等方面。

4 磁敏傳感器的應用前景

隨著信息產業和過程控制等產業的發展，各種半導體磁阻型傳感器廣泛應用于自動控制、測量等領域，在汽車制造、機電機械、儀器儀表、航空航天等領域中占據著重要地位。磁場檢測的范圍要求一般在10nT～1T，且要求磁敏傳感器結構精巧堅固、體積小、重量輕、功耗低、靈敏度高、與外電路接口方便，能在強震、多塵、高溫、污染、腐蝕等惡劣環境下工作，抗干擾能力強，性價比高，適合規模化生產，這標志著磁敏傳感器的生產向著更高端要求發展。靈巧化、智能化和多功能化是磁敏傳感器發展的必然趨勢，具有巨大的市場前景和發展潛力。