中心論題：

• 磁傳感器及其發(fā)展
• 新式微型磁傳感器
• 應用及市場(chǎng)

解決方案：

• 高靈敏度GMI和SI微型磁傳感器
• SV-GMR傳感器及其陳列
• 薄膜磁通門(mén)磁強計

磁傳感器及其發(fā)展
磁傳感器，就是把磁場(chǎng)、電流、應力應變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉換成電信號，以這種方式來(lái)檢測相應物理量的器件。其實(shí)出特點(diǎn)是可以非接觸測量，檢測信號幾乎不受被測物的影響，耐污染、噪聲強，即使在很惡劣的環(huán)境條件下也能夠可靠地工作，堅固耐用，壽命長(cháng)。正因為如此，從國防、航空航天到國民經(jīng)濟各個(gè)部門(mén)，從醫療衛生到人類(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)出探測線(xiàn)圈，磁通門(mén)磁強計，半導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的光纖電流傳感器，高靈敏度超導量子干涉器件（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器、設備內部來(lái)使用的?，F代整機正迅速向小型輕便、多功能、智能化方向發(fā)展，要求所用傳感器即使對微小空間內物理量的變化也能夠高靈敏度、高速度地做出響應。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、檢測分辨率和靈敏度。
　　
半導體大規模集成電路制造技術(shù)、微電子機械系統（MEMS）制造技術(shù)、微組裝技術(shù)的推廣應用，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，應用各種新效應的許多新型高性能、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)磁強計、無(wú)線(xiàn)磁彈微型傳感器陣列，就是其中的典型代表。下面，簡(jiǎn)單介紹幾種微型磁傳感器的工作原理、基本結構及主要技術(shù)性能。

新式微型磁傳感器
a.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集成電路構成，利用磁性材料的巨磁阻抗（GMI）效應工作。所謂GMI效應，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，敏感元件的磁導率和趨膚效應就隨磁場(chǎng)變化，結果，電感和電阻即阻抗發(fā)生急劇變化的現象。1992年，名古屋大學(xué)教授毛利佳年雄等人最先報導了這一新效應。
　　
他們在研究中發(fā)現，用快淬富鈷非晶絲，經(jīng)過(guò)適當處理后，其阻抗變化率（△Z/Z）可達100～300%。近來(lái)，V•Zhukova等人報告，用成分為Co67 Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7的非晶細絲，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%。另?yè)毡緰|北大學(xué)教授荒井賢一報告，將銅導體（厚3μm,寬0.5mm）夾在非晶磁膜（Co73Si12B15合金：厚2μm，寬2mm，長(cháng)10mm）中間，并在其間加上SiO2絕緣層，在元件長(cháng)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，二是針對具體應用采用恰當的電路系統。目前，日本Unitika股份有限公司已能夠批量供應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(cháng)條形作傳感器和用Co73Si12B15非晶磁膜與銅導體、SiO2絕緣層構成多層結構，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磁阻抗效應的CMOS FET 傳感器電路；高分辨率線(xiàn)性傳感器在傳感器電子線(xiàn)路中用負反饋回路，對高穩定開(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(cháng)2mm CoFeSiB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(cháng)1μm CoFeSiB非晶絲微機加工成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。

b.SV-GMR傳感器及其陳列
巨磁電阻（GMR）效應，最初是用厚度為數個(gè)原子層（數nm）的Fe/Cr多層膜，在4.2K加上1.6×107A/m磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現的，其電阻值的變化（△R/Ro,△R=R11-R1）高達46%，而且有AMR效應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結構元件，和CMOS集成電路結合，在高密度HDD機中首先被實(shí)際用作讀出磁頭，接著(zhù)又開(kāi)發(fā)出實(shí)用型高靈敏度磁場(chǎng)傳感器?，F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)。

c.薄膜磁通門(mén)磁強計
傳統的磁通門(mén)磁強計，普遍用來(lái)測量1nT～1mT的弱磁場(chǎng)，分辨率可達到0.1nT。它們在航天飛行器姿態(tài)控制，探礦、考古、空間磁場(chǎng)探測和深潛探雷等軍事活動(dòng)中得到廣泛的應用。
　　
這種傳統器件常用兩個(gè)數厘米大的磁棒成磁環(huán)和多匝線(xiàn)圈構成。因而，很難小型化。此外，在使用過(guò)程中用手調節，需單獨校準，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)磁強計，系采用微電子技術(shù)，即用磁性薄膜、微機加工或標準平面工藝制成的勵磁線(xiàn)圈與檢測線(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)扁平勵磁線(xiàn)圈和2個(gè)反串聯(lián)的檢測線(xiàn)圈；將坡莫合金膜光刻成4根長(cháng)0.7mm長(cháng)條，對稱(chēng)地放置在線(xiàn)圈兩邊，由它們組成勵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，用脈沖勵磁的噪聲是20nTrms，磁滯在1mT以?xún)龋?mT磁場(chǎng)沖擊引起的打火低于5μT。

應用及市場(chǎng)
新型磁傳感器的開(kāi)發(fā)和應用，已創(chuàng )造了巨大的經(jīng)濟、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)化和家庭生活現代化的實(shí)現，加快了工業(yè)化社會(huì )向信息化社會(huì )轉變的步伐。在傳統產(chǎn)業(yè)改造、資源探查及綜合利用、環(huán)境保護、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。

a.在傳統產(chǎn)業(yè)改造中的應用及市場(chǎng)
據網(wǎng)上報道，1995年僅工業(yè)過(guò)程控制傳感器的全球市場(chǎng)已達到260億美元；2001年計算機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用提供良好的性能，但是這些平臺，在傳感器和數據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器之間需要精確校準與調整。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(cháng)了器件壽命，降低了成本。
　　
使用新型磁傳感器可以顯著(zhù)提高測量和控制精度，如用前述的GMI磁場(chǎng)傳感器，檢測分辨率和常用磁通門(mén)磁強計一樣，而響應速度卻快了一倍，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；在應力檢測中，SI傳感器的靈敏度是常用電阻絲的2000倍高，是半導體應變規的20～40倍。工業(yè)機床的油壓或氣壓汽缸活塞位置檢測，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，檢測精度0.1mm，檢測速度可在0～500mm/s內以高低速度變換；改用GMI或SV-GMR傳感器后，測量精度至少可以提高1個(gè)數量級。
　　
數控機床、機器人及工廠(chǎng)自動(dòng)化相關(guān)設備的位置檢測、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、油漆機器人、紡織和鋼鐵、木料、塑料等的加工中，可靠性極差。應用AMR、GMR 、GMI敏感元件構成的磁編碼器，就不存在上述缺點(diǎn)，因此，它們的市場(chǎng)需求年增長(cháng)率在30%以上。微型磁編碼器和控制微機一體化，有利于簡(jiǎn)化控制系統結構，減少元件數和占空體積，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床、專(zhuān)用機床、半導體制造設備和三維測量設備。使用高靈敏度、高速響應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)機驅動(dòng)、控制中擔負著(zhù)重要角色。在機床數控化時(shí)代，數字磁尺幫助設計師們實(shí)現了閉環(huán)控制。使用絕對信號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)復位。使用工作狀態(tài)磁敏開(kāi)關(guān)，還可以完成手動(dòng)與數控之間的轉換。

b.在環(huán)境監測中的應用
環(huán)境保護的前提是對各個(gè)環(huán)境參數（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲.......）的監測，這里需要使用多種大量的傳感器。采用前述的強磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器，可以同時(shí)測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠距離訪(fǎng)問(wèn)。在食品包裝、環(huán)境科學(xué)實(shí)驗等方面，應用前景廣闊。