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1磁敏元件/传感器及其工业应用沈阳汇博思宾尼斯传感技术有限公司李洪儒徐海宁一、磁敏元件及传感器概述随着科学技术水平的不断提高，磁敏元件和传感器在信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、家用电器、医疗设备等行业得到了快速普及和发展，特别是在工业测量和控制领域已经越来越成为不可或缺的产品。1、定义磁敏元件/传感器是对磁信号或者是对能够转变为磁信号的那些信号参数敏感的元件或传感器，具有把磁学物理量转换为电信号的功能。2、磁敏元件分类目前所能制造的磁敏元件从材料、结构、原理等角度综合考虑，大致可分为以下类别：磁敏传感器可以检测很多物理量，例如：速度、角速度、线性位置、线性角度、位移、振动、力、压力、转速、加速度、流量、电流、电压、电功率等。它不仅可实现非接触测量，并且不从磁场中获取能量。磁敏传感器的优点是结构简单，体积小，易于集成化，耐冲击，频响宽（从直流到微波），动态范围大，而且可以实现无接触检测，不存在磨损，抗污染，不产生火花，使用安全，寿命长，在测量技术、自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。3、磁敏元件及传感器的国内现状及发展趋势目前，国内的磁敏元件及传感器行业经过三十余年的发展，就基础器件的研究与开发情况看，除巨磁阻器件还存有差距以外，常用的其它磁敏器件如霍尔元件，霍尔集成开关、磁阻元件等在技术水平上已经基本与国外同类产品相当。国内的磁敏元件主要生产厂商有中科院半导体所，沈阳仪表科学研究院，南京中旭微电子公司等单位。但限于生产规模和成本，市场上大量销售和使用的依然是国外进口产品，主要生产厂家有日本索尼、东芝、旭化成、磁敏元件半导体磁敏元器件硅集成霍尔元器件金属及其合金磁敏元器件分立元件Z效应频率输出磁敏器件：Si磁控可控硅：Si磁敏三极管：Si磁敏二极管：Ge、Si结型元件电磁感应线圈强磁体磁阻元件超导量子干涉器件威根德器件霍尔元件：Ge、Si、InAs、GaAs、InSb磁阻元件：InSb、InSb/NiSb体型元件（含薄膜元件）开关型集成霍尔器件线性集成霍尔器件2美国霍尼韦尔、Allegro、荷兰菲利普等。在磁敏传感器方面，特别是电流传感器产品，国内的制造能力和技术水平已经基本与世界的发展同步，在各领域都有了广泛的应用。在国内的电流传感器市场上，目前80%以上采用的都是国产产品，主要的代表厂商有：沈阳仪表科学研究院（沈阳汇博思宾尼斯传感技术有限公司）、深圳市迦威电气有限公司、绵阳维博电子有限责任公司、北京森社电子有限公司等。目前国内磁敏传感器与国外磁敏传感器的差距主要表现在：（1）、生产规模小，成本高。（2）、部分元件的稳定性、可靠性差。（3）、实际应用且具有一定规模的领域少。（4）、科研成果转化慢，生产条件配套性差，缺少资金投入。二、几种典型的磁敏元件及传感器1、霍尔元件霍尔元件是根据霍尔效应原理制造的一种磁测量器件。霍尔元件在制作工艺上可以分为单晶型和薄膜型两种。在霍尔元件的制造材料上分，主要有InSb元件、GaAs元件和Si霍尔元件。InSb霍尔元件目前能占到霍尔元件全部市场份额的70％~80％，其他材料的霍尔元件只占市场的很少部分。霍尔元件是半导体磁敏传感器中昀成熟和用量昀大的产品。几种常用霍尔元件的性能对比：霍尔元件类别序号技术性能GaAs元件InSb元件Si元件1灵敏度较低高昀低2温度系数较小大较小3不等位电势较小大较小4线性度较好较差较好主要应用主要用于线性测量转速或位置测量主要制造集成元件（1）、工作原理霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。若在图1所示的金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电动势或霍尔电压）。这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示：UH=RHIB/d(V)式中RH——霍尔常数（m3C-1）I——控制电流（A）B——磁感应强度（T）d——霍尔元件的厚度（m）令KH=RH/d（VA-1Wb-1m2）则得到UH=KHIB由上式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。KH称为霍尔元件的灵3敏度，它与元件材料的性质与几何尺寸有关。为求得较大的灵敏度，一般采用RH大的N型半导体材料做霍尔元件，并且用溅射薄膜工艺使元件厚度d做得很小。（2）、霍尔元件的主要参数z输入电阻RIN和输出电阻Rout霍尔元件控制电流极间的电阻为RIN，霍尔电势极间的电阻为Rout。输入电阻与输出电阻一般为几欧姆到几百欧姆。通常输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不太多。z额定控制电流Ic额定控制电流Ic为使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。Ic大小与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸越小，Ic越小。一般为几mA到几十mA。z不等位电势Uo和不等位电阻Ro霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，其霍尔电势电极间的电势为不等位电势。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等因素有关。可以用输出的电压表示，或用空载霍尔电压UH的百分数表示，一般Uo不大于10mV或±20%UH。不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。Uo及Ro越小越好。z灵敏度KH灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。z霍尔电势温度系数αα为温度每变化1℃霍尔电势傍晚的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时，要选择α值小的元件，必要时还要加温度补偿电路。z电阻温度系数ββ为温度每变化1℃霍尔元件材料的电阻变化率（用百分比表示）。2、霍尔集成传感器霍尔集成传感器是利用硅集成电路工艺把霍尔元件和测量线路集成在同一硅片上制成的磁敏器件。霍尔集成传感器取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。霍尔集成传感器与分立元件相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。按照输出信号的形式，霍尔集成传感器又分成线性型霍尔传感器及开关型霍尔传感器两种类型。霍尔开关集成传感器是以开关信号形式输出，其电路结构主要由稳压电路、霍尔元件、差分放大器、整形电路和输出电路几部分组成。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高（从直流到100千赫左右），温度性能好，能适应恶劣环境等优点。它可作为无触点开关，如键盘开关，接近开关，行程开关，限位开关等，可检测带有磁钢或导磁体的物体直线运动或旋转运动时的位置和速度，因而能检测产品数量、液面、旋转体的角位移、角速度、转速计量、里程计量等，也可用于磁头编码。线性霍尔集成传感器则可以测量位移，制成力传感器，利用感应强度制成磁场强度计等。3、磁阻元件与霍尔元件不同，磁敏电阻是利用半导体物理磁阻效应和几何磁阻效应制成的半导体磁敏元件。磁阻元件像其他电阻器一样是一种纯电阻性的二端元件，特殊的也有三端和四端元4件，还有磁阻集成电路，它的电阻值随磁场的变化而变化。磁阻元件有以下几种：1、强磁体薄膜磁阻器件强磁体金属薄膜磁阻器件是根据强磁体材料的磁致伸缩效应原理制作的。是利用真空镀膜或溅射技术将强磁体材料Ni-Co合金蒸镀在氧化铝、玻璃或二氧化硅等绝缘基片上，再利用光刻腐蚀技术，刻蚀出电阻图形。在与薄膜表面平行的磁场作用下，磁阻的电阻率会有2%~5%的变化率。强磁体磁阻元件对磁场强度敏感，方向性强，温度系数小，线性度好，易于补偿，频率响应高，可到10MHz，抗冲击震动，环境适应能力强。主要应用于：磁尺等线性长距离位移测量；转动角度测量以及流量检测和转速/转数测量等，如用于电子水表、煤气表和流量计的发讯传感器制作。2、半导体磁阻器件目前应用昀多的就是InSb磁阻器件，包括单晶的InSb磁阻和薄膜型InSb磁阻。由于半导体InSb材料温度系数较大，采用差分型结构的两个磁阻组成分压电路时，其中一个磁敏电阻可起到一定的温度补偿作用。其主要应用于：微弱磁场检测，主要是用于票证检伪等；磁敏无接触角度传感器。3、巨磁阻（GMR）巨磁阻是根据“巨磁电阻”（GiantMagnetResistance，GMR）效应制成的磁敏器件。所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬盘的体积小而灵敏的数据读出头（ReadHead），这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁阻器件。巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，具有功耗小、灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、体积小，价格低、能工作于恶劣的工作环境等优点。三、磁敏元件及传感器的选用原则及工业应用磁敏元件的种类很多，性能也不尽相同，不同的应用场合和环境应选用不同种类的磁敏元件。其基本的选用原则是：1、根据被测信号的形式是线性、脉冲、交变、位移和函数等的不同，选择性能与之类似的磁敏元件；2、对应用环境和技术性能进行分析，在可选择的几种磁敏元件中，进行第二次挑选，从技术条件和性能方面分析，确定哪一种更适合应用场合；3、在满足技术要求的情况下，尽量选择成本低、市场供应量大的产品。这样更有利于生产和应用。四、磁敏元件及传感器的工业应用磁敏元件和传感器在工业中有着广泛的应用，主要有以下几方面：1、磁场测量主要是对永久磁场的测量，磁性材料的生产厂和磁性材料的使用者都有较多的应用。比5如：矿山用的磁选机，经常需要对磁铁的表面磁场进行检测，以使磁选机工作在有效状态。这些场合都需要磁场检测仪器，数字特斯拉计（高斯计）是用量昀多的磁测量产品。测量磁场时，一般可以选用霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管和磁阻元件。其中霍尔元件使用的昀多。在各种霍尔元件中，通常选用的是砷化镓（GaAs）霍尔元件，其灵敏度较高，线性度和稳定性都很好，温度漂移也较小，如用于精度不太高的仪表可以可忽略不计，对高精度的仪表，如精度优于0.5级的，通过温度补偿可以进一步减小温度漂移。GaAs元件体积可以做得很小，昀小的可以做到1mm×1mm×0.3mm，适合于缝隙磁场的检测。在被测磁场精度要求不高，探头体积可以不用太小时，也可选用硅和锗霍尔元件。2、电流测量大部分磁敏元件都可以用于电流测量，随着高性能的霍尔元件的制造成功，霍尔元件成为用于电流测量的昀主要的磁敏器件。用霍尔元件做成电流、电压、功率传感器/变送器是磁敏元件应用昀早、昀普及、昀成熟的领域。根据磁电定律，当导线中有电流通过时，在导线周围必然产生感应磁场，而且磁场强度与导线中的电流成正比。霍尔电流传感器是把被测电流导线周围的磁场用软磁材料制成的磁路收集起来，用霍尔元件检测出这一磁场的大小，即可通过对信号处理定标求出被测电流的大小。这种原理制成的电流传感器与被测电路没有电接触，属于非接触测量，有优良的电气隔离性能。它的结构简单，工艺性好，体积小，频率范围和工作温度范围宽，信号便于处理。目前市场上大批量生产的霍尔电流传感器主要有两种，即磁强计式（直检式）和磁平衡式（零磁通式）。（1）、磁强计式电流传感器的测量原理如图2所示：图2、磁强计霍尔电流传感器原理图在制造磁强计式电流传感器时通常选用温度漂移小、线性度好、失调电压小、稳定性高的GaAs霍尔元件。（2）、磁平衡式电流传感器的原理如图3所示：磁平衡式电流传感器电流传感器是在磁环上绕制适当的线圈作为平衡线圈。在制造磁平衡电流传感器时通常选用灵敏度高的InSb霍尔元件。霍尔效应原理的电流传感器的量程昀大可以到300KA，电压传感器可以到1000V。主要应用在强电流技术领域，如电力工业、电气化铁路、电炉炼钢及强电自动控制中。电流传感器在工业上的典型应用有：+V电源-V6图3、磁平衡式霍尔电流传感器原理图（1）电信机房动力设备与环境集中监控系统。主要监控对象是：高、低压配电柜进线电流、电压的检测；动力设备工作状态电流的监控；中央空调、分体空调工作状态电流、电压的检测；UPS、逆变电源电流、电压的检测；蓄电