【導讀】磁傳感器是一種把磁場(chǎng)、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來(lái)檢測相應物理量的器件。用于感測速度、運動(dòng)和方向，應用領(lǐng)域包括汽車(chē)、無(wú)線(xiàn)和消費電子、軍事、能源、醫療和數據處理等。
我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無(wú)人不知啊，對于現代傳感器技術(shù)來(lái)講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。
而在當今的電子時(shí)代，磁傳感器在電機、電力電子技術(shù)、汽車(chē)工業(yè)、工業(yè)自動(dòng)控制、機器人、辦公自動(dòng)化、家用電器及各種安全系統等方面都有著(zhù)廣泛的應用。
磁傳感器
磁傳感器是一種把磁場(chǎng)、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來(lái)檢測相應物理量的器件。用于感測速度、運動(dòng)和方向，應用領(lǐng)域包括汽車(chē)、無(wú)線(xiàn)和消費電子、軍事、能源、醫療和數據處理等。
磁傳感器市場(chǎng)按照技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展，主要分為四大類(lèi)：
霍爾效應（Hall Effect）傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器隧道磁阻（TMR）傳感器。
其中，霍爾效應傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應用。隨著(zhù)持續的技術(shù)研發(fā)，各種磁傳感器誕生，并擁有更優(yōu)異的性能、更高的可靠性。
霍爾效應（Hall Effect）傳感器
1879年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬導電機制時(shí)發(fā)現了霍爾效應。但因金屬的霍爾效應很弱而一直沒(méi)有實(shí)際應用案例，直到發(fā)現半導體的霍爾效應比金屬強很多，利用這種現象才制作了霍爾元件。
在半導體薄膜兩端通以控制電流 I，并在薄膜的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場(chǎng)，半導體中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而在不同方向上聚集，在聚集起來(lái)的電子與空穴之間會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)，電場(chǎng)強度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個(gè)現象叫做霍爾效應。在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生的內建電勢差，稱(chēng)為霍爾電壓U。
霍爾電壓U與半導體薄膜厚度d，電場(chǎng)B和電流I的關(guān)系為U=k(IB/d)。這里k為霍爾系數，與半導體磁性材料有關(guān)。
霍爾效應示意圖
霍爾傳感器利用霍爾效應的原理制作，主要有霍爾線(xiàn)性傳感器、霍爾開(kāi)關(guān)和磁力計三種。
1. 線(xiàn)性型霍爾傳感器
由霍爾元件、線(xiàn)性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。輸出電壓與外加磁場(chǎng)強度呈線(xiàn)性關(guān)系，如下圖所示，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線(xiàn)性度，磁感應強度超出此范圍時(shí)則呈現飽和狀態(tài)。
線(xiàn)性型霍爾傳感器工作原理
霍爾線(xiàn)性器件擁有很寬的磁場(chǎng)量測范圍，并能識別磁極。其應用領(lǐng)域有電力機車(chē)、地下鐵道、無(wú)軌電車(chē)、鐵路等，還可用于變頻器中用于監控電量、光伏直流柜監測光伏匯流箱實(shí)時(shí)輸出電流的作用、電動(dòng)機保護等。 線(xiàn)性霍爾傳感器還可以用于測量位置和位移，霍爾傳感器可用于液位探測、水流探測等。
2. 開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器
由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數字量。
開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器工作原理
霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復精度高，工作溫度范圍寬，可達-55℃～150℃。開(kāi)關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過(guò)一次磁場(chǎng)強度的變化，則完成了一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作，輸出數字信號，可以計算汽車(chē)或機器轉速、ABS系統中的速度傳感器、汽車(chē)速度表和里程表、機車(chē)的自動(dòng)門(mén)開(kāi)關(guān)、無(wú)刷直流電動(dòng)機、汽車(chē)點(diǎn)火系統、門(mén)禁和防盜報警器、自動(dòng)販賣(mài)機、打印機等。
3. 磁力計
是利用霍爾效應產(chǎn)生的電勢差來(lái)測算外界磁場(chǎng)的大小和極性。磁力計是采用CMOS工藝的平面器件。工藝相對一般IC更為簡(jiǎn)單，一般采用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過(guò)金屬電極將傳感器與其他電路（如放大器、調節處理器等）相連。
但這樣設計的的霍爾傳感器只能感知垂直于管芯表面的的磁場(chǎng)變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來(lái)講就是做原來(lái)的管芯上增加一層坡莫合金，可探測平行于管芯方向的磁場(chǎng)。由此，霍爾傳感器實(shí)現了從單軸到三軸磁力計的跨越式發(fā)展。
圖（a）增加磁通集中器的霍爾傳感器的頂視圖；圖（b）增加磁通集中器的霍爾傳感器的剖面圖
磁力計廣泛應用于智能手機、平板電腦和導航設備等移動(dòng)終端，擁有巨大的市場(chǎng)前景。同時(shí)，磁力計可以與加速度計組成6軸電子羅盤(pán)，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實(shí)現9軸組合傳感器，構成更強大的慣性導航產(chǎn)品。
各向異性磁阻（AMR）傳感器
某些金屬或半導體在遇到外加磁場(chǎng)時(shí)，其電阻值會(huì )隨著(zhù)外加磁場(chǎng)的大小發(fā)生變化，這種現象叫做磁阻效應，磁阻傳感器利用磁阻效應制成。
1857年，Thomson發(fā)現坡莫合金的的各向異性磁阻效應。對于有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場(chǎng)和電流間夾角有關(guān)的。我們常見(jiàn)的這類(lèi)金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。
當外部磁場(chǎng)與磁體內建磁場(chǎng)方向成零度角時(shí), 電阻是不會(huì )隨著(zhù)外加磁場(chǎng)變化而發(fā)生改變的；但當外部磁場(chǎng)與磁體的內建磁場(chǎng)有一定角度的時(shí)候, 磁體內部磁化矢量會(huì )偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱(chēng)為各向異性磁電阻效應（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡(jiǎn)稱(chēng)AMR）。磁場(chǎng)作用效果下圖。
坡莫合金的AMR效應
磁阻變化值與角度變化的關(guān)系
薄膜合金的電阻R就會(huì )因角度變化而變化，電阻與磁場(chǎng)特性是非線(xiàn)性的，且每一個(gè)電阻并不與唯一的外加磁場(chǎng)值成對應關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當電流方向與磁化方向平行時(shí)，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時(shí)，一般磁阻工作于圖中線(xiàn)性區附近，這樣可以實(shí)現輸出的線(xiàn)性特性。
AMR磁傳感器的基本結構由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當施加一個(gè)偏置磁場(chǎng)H在電橋上時(shí)，兩個(gè)相對放置的電阻的磁化方向就會(huì )朝著(zhù)電流方向轉動(dòng)，這兩個(gè)電阻的阻值會(huì )增加；而另外兩個(gè)相對放置的電阻的磁化方向會(huì )朝與電流相反的方向轉動(dòng)，該兩個(gè)電阻的阻值則減少。通過(guò)測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場(chǎng)值。
AMR磁阻傳感器等效電路
各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：
1. 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場(chǎng)范圍是以地球磁場(chǎng)為中心，對于以地球磁場(chǎng)作為基本操作空間的傳感器應用來(lái)說(shuō)，具有廣大的運作空間，無(wú)需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。
2.各向異性磁阻（AMR）技術(shù)是唯一被驗證，可以達到在地球磁場(chǎng)中測量方向精確度為一度的半導體工藝技術(shù)。其他可達到同樣精度技術(shù)都是無(wú)法與半導體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。
3.AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡(jiǎn)單，成本低，不需要昂貴的制造設備，具有成本優(yōu)勢。
4.AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應用中尚無(wú)局限性。
AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場(chǎng)范圍內的弱磁場(chǎng)測量，制成各種位移、角度、轉速傳感器，各種接近開(kāi)關(guān)，隔離開(kāi)關(guān)，用來(lái)檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車(chē)、汽車(chē)。其它應用包括各種導航系統中的羅盤(pán)，計算機中的磁盤(pán)驅動(dòng)器，各種磁卡機、旋轉位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線(xiàn)位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。
巨磁阻（GMR）傳感器
與霍爾（Hall）傳感器和各向異性磁阻（AMR）傳感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）傳感器要年輕的多！這是因為GMR效應的發(fā)現比霍爾效應和AMR效應晚了100多年。
1988年，德國科學(xué)家格林貝格爾發(fā)現了一特殊現象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發(fā)生非常顯著(zhù)的電阻變化。同時(shí)，法國科學(xué)家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現，微弱的磁場(chǎng)變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍。費爾和格林貝格爾也因發(fā)現巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。
一般的磁鐵金屬，在加磁場(chǎng)和不加磁場(chǎng)下電阻率的變化為1%~3%，但鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬構成的多層膜，在室溫下可以達到25%，低溫下更加明顯，這也是巨磁阻效應的命名緣由。
GMR和AMR在外加磁場(chǎng)下電阻率變化示意圖
“巨”（giant）來(lái)描述此類(lèi)磁電阻效應，并非僅來(lái)自表觀(guān)特性，還由于其形成機理不同。常規磁電阻源于磁場(chǎng)對電子運動(dòng)的直接作用，呈各向異性磁阻，即電阻與磁化強度和電流的相對取向有關(guān)。相反，GMR磁阻呈各向同性，與磁化強度和電流的相對取向基本無(wú)關(guān)。
巨磁阻效應僅依賴(lài)于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場(chǎng)的作業(yè)只是為了改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。除此以外，GMR效應更重要的意義是為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學(xué)（Spintronics）以及新的傳感器技術(shù)奠定了基礎。
GMR效應的首次商業(yè)化應用是1997年，由IBM公司投放市場(chǎng)的硬盤(pán)數據讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數碼相機、MP3播放器的標準技術(shù)。
GMR傳感器的材料結構
具有GMR效應的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結合氧化物、超巨磁電阻薄膜等五種材料。其中自旋閥型多層膜的結構在當前的GMR磁阻傳感器中應用比較廣泛。
自旋閥主要有自由層（磁性材料FM），隔離層（非磁性材料NM），釘扎層（磁性材料FM）和反鐵磁層（AF）四層結構。
自旋閥GMR磁阻傳感器基本結構
GMR磁阻傳感器由四個(gè)巨磁電阻構成惠斯通電橋結構，該結構可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩定性的影響，增加傳感器靈敏度。當相鄰磁性層磁矩平行分布，兩個(gè)FM/NM界面呈現不同的阻態(tài)，一個(gè)界面為高阻態(tài)，一個(gè)界面為低阻態(tài)，自旋的傳導電子可以在晶體內自由移動(dòng)，整體上器件呈現低阻態(tài)；而當相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態(tài)的傳導電子都在穿過(guò)磁矩取向與其自旋方向相同的一個(gè)磁層后，遇到另一個(gè)磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，并在那里受到強烈的散射作用，沒(méi)有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現高阻態(tài)。
平行磁場(chǎng)和反平行磁場(chǎng)作用下的等效電路圖
GMR磁阻傳感器商業(yè)化時(shí)間晚于霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，制造工藝相對復雜，生產(chǎn)成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場(chǎng)且信號好，溫度對器件性能影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此市場(chǎng)占有率呈穩定狀態(tài)。GMR磁阻傳感器在消費電子、工業(yè)、國防軍事及醫療生物方面均有所涉及。
隧道磁阻（TMR）傳感器
早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀(guān)察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應。但是，這一發(fā)現當時(shí)并沒(méi)有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關(guān)TMR效應的研究進(jìn)展十分緩慢。在GMR效應的深入研究下，同為磁電子學(xué)的TMR效應才開(kāi)始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發(fā)現為T(mén)MR磁阻傳感器的發(fā)展契機。
2001年，Butler和Mathon各自做出理論預測：以鐵為鐵磁體和MgO作為絕緣體，隧道磁電阻率變化可以達到百分之幾千。同年，Bowen等首次用實(shí)驗證明了磁性隧道結（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應。2008年，日本東北大學(xué)的S. Ikeda, H. Ohno團隊實(shí)驗發(fā)現磁性隧道結CoFeB/MgO/CoFeB的電阻率變化在室溫下達到604%，在4.2K溫度下將超過(guò)1100%。TMR效應具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來(lái)越重視TMR效應的研究和商業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。
TMR元件在近年才開(kāi)始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場(chǎng)進(jìn)行感應，比之前所發(fā)現并實(shí)際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來(lái)代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線(xiàn)性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結構，相對于A(yíng)MR元件不需要額外的set/reset線(xiàn)圈結構。
TMR磁阻傳感器的材料結構及原理
從經(jīng)典物理學(xué)觀(guān)點(diǎn)看來(lái)，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結構根本無(wú)法實(shí)現電子在磁層中的穿通，而量子力學(xué)卻可以完美解釋這一現象。當兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中多數自旋子帶的空態(tài)，少數自旋子帶的電子也將進(jìn)入另一磁性層中少數自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時(shí)器件為低阻狀態(tài)；
當兩層的磁鐵層的磁化方向反平行，情況則剛好相反，即多數自旋子帶的電子將進(jìn)入另一磁性層中少數自旋子帶的空態(tài)，而少數自旋子帶的電子也進(jìn)入另一磁性層中多數自旋子帶的空態(tài)，此時(shí)隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)。
可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴(lài)于兩個(gè)鐵磁層磁化強度的相對取向，當磁化方向發(fā)生變化時(shí)，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱(chēng)為隧道磁電阻效應。
TMR磁化方向平行和反平行時(shí)的雙電流模型
TMR元件在近年才開(kāi)始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場(chǎng)進(jìn)行感應，比之前所發(fā)現并實(shí)際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。我們通常也用磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來(lái)代指TMR元件，MTJ元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線(xiàn)性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結構，相對于A(yíng)MR元件不需要額外的set/reset線(xiàn)圈結構。
下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數對比，可以更清楚直觀(guān)的看到各種技術(shù)的優(yōu)劣。
霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術(shù)參數對比
作為GMR元件的下一代技術(shù)，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應用于硬盤(pán)磁頭領(lǐng)域。相信TMR磁傳感技術(shù)將在工業(yè)、生物傳感、磁性隨機存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領(lǐng)域有極大的發(fā)展與貢獻。
磁傳感器的發(fā)展,在本世紀70～80 年代形成高潮。90 年代是已發(fā)展起來(lái)的這些磁傳感器的成熟和完善的時(shí)期。
磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟、國防建設、科學(xué)技術(shù)、醫療衛生等領(lǐng)域都發(fā)揮著(zhù)重要作用，成為現代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個(gè)主要分支。在傳統產(chǎn)業(yè)應用和改造、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，它們發(fā)揮著(zhù)愈來(lái)愈重要的作用。
本文轉載自傳感器技術(shù)。
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