磁敏传感器的国内外现状及发展趋势.docx

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1、磁敏传感器的国内外现状及发展趋势磁敏传感器的国内外现状及发展趋势TheCurrentSituationAndTendencyofMagneticSensoratHomeandAboard摘要传感器是各种仪器仪表和自动化设备的基础，尤其在当今以计算机为标志的信息社会中，传感器技术更承当着获取信息的重要任务。各种各样的磁场传感器都是为不同的磁场测量目的而设计的。磁敏传感器是将磁场信息转换成各种有用信号的装置。它是各种磁测仪器的核心。本文主要评述磁敏传感器产业的现状及可能构成产业化生产和产业性应用的磁敏传感器的发展趋势。关键词：磁敏传感器；霍尔元件；磁场检验；产业化AbstractSensorisv

2、ariousinstrumentsandautomationequipmentfoundation,especiallyintodayscomputerintheinformationsocietymarkedmorebearing,thesensortechnologyisanimportanttaskofobtaininginformation.Variousmagneticfieldsensorsfordifferentmagneticfieldmeasurementisdesigned.Magneticsensorisconvertedintovariousmagneticfieldi

3、nformationusefulsignaldevices.Itisthecoreofvariousmagneticmeasurementinstrument.ThispapersummarizesthepresentsituationofmagneticsensorindustryproductionandindustrializationandpossibleChanYeXingapplicationofthedevelopmenttrendofmagneticsensorsKeywords：magneticsensor,hallelement,magneticinspection,ind

4、ustrialization目录第1章概述(1)1.1磁敏传感器简介(2)1.1.1霍尔器件(2)1.1.2探测线圈(2)1.1.3磁敏电阻(3)1.1.4韦甘德器件(3)1.1.5磁通门磁强计(4)1.2磁敏传感器的应用(4)第2章磁敏传感器的原理(7)2.1霍尔式传感器(7)2.1.1霍尔效应(7)2.1.2霍尔元件的构造与特性(9)2.2半导体磁阻传感器(11)2.2.1磁阻效应(11)2.2.2磁阻元件(12)2.2.3磁敏电阻的特性(14)2.3结型磁敏传感器(16)2.3.1磁敏二极管(16)2.3.2磁敏三极管(19)2.4新型磁传感器(21)2.4.1高分辨率磁性旋转编码器(2

5、1)2.4.2涡流传感器(22)第3章新型铁基纳米晶带磁敏传感器设计(24)3.1材料制备及其磁性能(24)3.2定频调幅电路磁敏传感器的构造与原理(24)3.2.1基本设计思想(24)3.2.2并联型晶体振荡器(25)3.2.3磁敏LC谐振回路(25)3.3磁敏传感器的性能测试与分析(26)3.3.1磁敏传感器性能测试的设备及试验框图(26)3.3.2磁敏传感器的性能测试结果(27)3.3.3磁敏传感器的性能分析(28)3.3.4结语(29)第4章磁敏传感器在漏磁探伤中的应用(30)4.1磁敏传感器阵列构造(30)4.2磁敏传感器阵列在漏磁探伤中的应用(31)4.3结论(34)第5章磁敏传感

6、器的发展趋势(35)5.1磁敏传感器的发展现状(35)5.1.1国内现状(35)5.1.2国外现状(36)5.2磁敏传感器的发展趋势(36)第6章结论(39)致谢.错误！未定义书签。参考文献(40)第1章概述世界传感器市场正在以持续稳定的增长之势向前发展。世界非军用传感器市场1998年为325亿美元，据统计，2020年已增加到506亿美元。1998年2003年之间的年平均增长率为5.3%，估计2003年至2020年期间的年平均增长率将降到3.7%。而考虑到传感器价格降低和难以预知的新兴应用领域的崛起等因素，2003年至2020年期间的实际增长率有可能到达4.5%5%。根据中华人民共和国国家标准

7、(GB7665-87)，传感器(transducer/sensor)的定义是：能感受规定的被测量并根据一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件(sensingelement)是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件(transductionelement)是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。磁敏传感器是将磁场信息转换成各种有用信号的装置。它是各种测磁仪器的核心。为了检测并利用磁砀，人们研制了各种测磁仪器。到目前为止，已构成了十多种常用的测磁方法，研制和生产出了几十个大类上百种测磁仪器。一般的测磁仪器

8、都是由磁敏元件、转换器(由此组成传感器)、信号处理电路和读出电路组成。仪器的基本性能(例如灵敏度、动态范围、准确度)，主要由它的传感器来决定。信号处理电路能够提供放大、转换(例如F/V、A/D等转换)、补偿、校正等功能。因而，我们以为，测磁仪器所具备的技术指标和技术水平反映了现代传感器的主要性能和水平。随着磁性材料的发展，人们利用各种磁性材料来作信息载体，例如计算机信息存储、音像信息的记录各种物体运动信息，包括位置、位移、速度、转速等等，都能够借助磁性体来作载体。因此需要大量的、各种各样的磁的读出、写入和传感装置。进而促使磁敏传感器逐步地和测磁仪器分离，构成了独立的磁敏传感器产品。近三十年来，

9、磁敏传感器产业发展迅猛。如今，能够讲“任何一台计算机、一辆汽车、一家工厂离开磁敏传感器就不能够正常工作。同时，磁敏传感器已深化到人们的日常生活，很多家用电器，例如收录机、电视录像机、空调机、洗衣机等，都大量地使用着磁敏传感器。1.1磁敏传感器简介1.1.1霍尔器件霍尔器件分霍尔元件和霍尔电路两个大类，它以霍尔效应为工作基础，可检测10-7T10T的磁场。Insb霍尔元件灵敏度最高但温度稳定性较差，GaAs霍尔元件温度性能最好但价格最高。InAsP是性能和价格都较适中的霍尔元件。硅霍尔集成电路因可将霍尔元件及信号处理电路集成在同一个芯片上，且适于和各种逻辑电路直接接口，使用特别方便，因此发展了很

10、多种数字输出的霍尔功能电路。国内外市售霍尔电路有约300个品种，有单极开关、双极开关、锁定开关、差动开关、功率开关、无刷电机驱动电路、多路双线霍尔集成电路等多种类型，还有线性输出电路等。目前，全世界对霍尔器件的年需求量在10亿只以上，已在无刷电机、齿轮转速检测、经过控制中的无触点开关、定位开关，汽车的安全装置ABS(防抱死制动系统)，汽车发动机点火定时，电流电压传感器等上得到了广泛的应用。其特点是无触点传感，可靠性高，用以检测电流电压，不要接入主电路即可进行无位(Potential-free)检测，无插入损耗，且实现输入和输出信号的完全隔离，无过载损坏等等。目前国外已有几十家大公司将霍尔传感器

11、列为本人的重要产品。例如美国的霍尼威尔、奥立格罗(原称史普拉格)、德克萨斯仪器公司，德国的西门子，日本的松下、索尼、三洋等等。日本的旭化成电子的年产量就在5亿只以上。近年来，东欧各国如保加利亚、波兰、捷克和独联体的一些主要国家都在竞相发展。1.1.2探测线圈利用电感线圈做成的磁敏传感器可检测从10-12T的弱磁场直到104T以上的强磁场，它大量用作磁记录装置的读写头。电感线圈磁头的需求量仅次于霍尔器件而在磁敏传感器中居第二位。现今信息产业中的各种磁记录装置的读写，感应磁头还是主流产品。日本的米兹米等公司还在大量生产。而且感应式磁头已可用微细加工技术作成薄膜式磁头不过，感应磁头因其本身的一些固有

12、缺点，如信号幅度随磁记录装置的运动速度而变等，随着记录密度的提高，它会逐步被新的读出装置，例如磁敏电阻头等取代。除磁头外，磁感应线圈的用处仍然很广。如将探测线圈装在停车场的路面上来作交通管制，用作ABS中的车轮速度检测等，不过随着新磁敏器件的出现，电感线圈的产业性应用将在竞争中接受严峻的考验。1.1.3磁敏电阻磁敏电阻分成两个大类：半导体磁敏电阻和强磁合金薄膜磁敏电阻。半导体磁敏电阻利用在磁场中的载流半导体内的载流子在罗仑兹力的作用下发生偏转，使载流子漂移途径增长进而使电阻增加的磁敏电阻效应。它对于垂直于芯片外表的磁场敏感。目前已有很多国家生产出用InSb薄膜和InSb-NiSb共晶制成的半导

13、体磁敏电阻，在0.3T以上的磁场下，有很高的电阻相对变化率。InSb薄膜磁敏电阻的R(B)/RO可达3以上。InSb-Nisb磁敏电阻的R(B)/RO可以到达此值。R(B)为磁场作用下的电阻值，RO为未加电场时的电阻值。InSb薄膜磁阻的初始电阻的典型值可为500，用它来制作无触电点电位器能够获得相当高的精度，而且具有无触点、无动噪声、旋转力矩小、分辨率高、高频性能好等特点。半导体磁敏电阻可用来作旋转传感器，精细小角度及角位移传感器、压力传感器、图形识别传感器等。目前日本、德国和国内都有批量供给。强磁台金薄膜磁敏电阻利用3D过渡合金在磁场中电阻率的各向异性，其灵敏度极高，可测10T的弱磁场(已

14、有可测到10-12T的实验室样品的报导)。其工作频率很高，可达100MHz以上，有二端、三端、四端等构造形式的产品。它对平行于芯片外表的磁场敏感，尺寸可做得很小，可用以检测磁泡磁畴的场强及其分布，是用来检测弱磁场的产业化磁敏传感器之一。它主要可做成磁旋转编码器在电机和电气传动装置中使用。据日本JEE杂志报导，1990年日本磁旋转编码器的销售额已达250亿日元。磁旋转编码器是光编码器有力的竞争对手。强磁合金膜磁阻现已有集成开关器件生产销售，这类器件的灵敏度高，在2.5mT的磁通密度下就可实现开关功能。金属薄膜磁敏电阻已有三维功能装置上市。这种装置可测空间磁场绝对值，数字输出，可和计算机直接接口，

15、是一种乖巧型装置。可在磁罗盘、位置检测中作方向传感；作汽车、火车、飞机等运载工具的检测；在经过控制中作铁磁物体的检测以及在虚拟现实系统中跟踪运动物体，等等。1.1.4韦甘德器件由坡奠合金丝、维卡合金丝或非晶磁致伸缩薄带制作。它们利用韦甘德效应来进行工作，构造特别简单，可在-196U+300的温度范围内稳定地工作。近期几年已进入实用阶段，国外早已有多家厂商批萤生产，国内也已有年产百万只以上的生产能力。韦甘德器件可用来制作磁脉冲发生器，并可用于汽车分电器点火器、旋转编码器、磁卡读出器、无触点开关等，是磁敏传感器产业中又一支重要气力。1.1.5磁通门磁强计在弱磁场的检测中，磁通门磁强计是最重要的磁敏

16、传感器之一。除在鱼雷引爆、探潜等军事方面应用之外，还在地磁测量、探矿、材料无损探伤、考古、岩石磁性测量、机场和地面交通管理等方面大量应用。而且还大量用于火箭、导弹、卫星、飞船上，测量高空地磁场和行星星际磁场，并可和其它仪器配合，测量和控制飞行体的姿态。近年来，还用它来识别磁性墨水记录的帐册、读出磁卡信息等。磁通门磁强计由探头和主机两部分组成，前者即磁敏传感器，后者是信号读出装置。它比霍尔器件和磁阻器件的灵敏度高约两个数量级；和感应线圈比，可测绝对磁场；和磁共振测磁比，可测场的方向，且长期稳定，比光纤磁传感器更灵敏，且振动稳定性和热稳定性更好；比SQUID便宜，并可在常温下工作，不需要液氦等等。

17、它的测量范围为10-1010-4T，分辨力可达l0-11T，噪声电平极低且没有任何偏离(Off-set)。是既能测量磁场量值，又能测量磁场方向，还可测量磁场梯度的一种磁传感装置。优异的性能和用处的广泛，迫切地要求磁通门实现产业化。为此，很多学者正致力于研究磁通门探头的微型化。1990年Seitz提出用平面微加工技术来制作平面磁芯和检测线圈，将探头尺寸缩小到24mm2。但仍需外接鼓励线圈。1993年，由KaWahito等提出了另一种用微机械加工的方法制作的磁通门探头。在硅衬底上腐蚀出深槽，在槽底制作很多等距金属斜条，经绝缘后，在槽内用选择电镀的方法做上多层磁芯。在磁芯上做上绝缘层后再做一层与底层

18、节距相等的斜条，将两层斜条端部连接，构成线圈。用这种方法，可将鼓励线圈和检测线圈同时制出。使探头尺寸缩小到0.134mm2。更重要的是用这种方法，可在一个基片上同时制作很多探头，实现批量生产。尽管在制作上还有一些地方需要改良，这一进展可使磁通门探头实现微型化。而且它预示了，可用MEMS的方法，来使磁通门探头的生产实现产业化。使人们看到，一种已经发展得很成熟的弱磁场磁敏传感器，将以新的相貌出如今磁敏传感器产业中。1.2磁敏传感器的应用将磁敏传感器用于各种测磁仪中，其应用范围上及天文(天体运行、演变的磁场检测等)下到地心(地心磁场变化的监测、地质年代变化的检测等)，中至人类本身(疾病诊断等)以及人

19、类社会生活的各方面，包括工业、农业、交通运输、国防、军事、航空航天、海洋、气象、医疗卫生、家庭、办公等等，可谓无所不至。我们在此要作扼要评述的，是作为独立的磁敏传感器的产业性应用。磁敏传感器产业性的应用分为两类：直接应用，仍使用其检测磁场的功能，例如各种磁记录信息的读出、写入、无损探伤等。和测磁仪器不同的地方，仅在于这些检测并不一定要得出磁场的准确的量值或方向，多数都仅需检测大于某闽值的磁场，或检出其变化规律。另一种类型是间接应用，大都可在被检测的对象上设置一个磁体，用它的磁场来作被检信息的载体，再用磁敏传感器去进行检测、转换、或控制，例如各种运动参量(包括位置、位移、速度、转数、转速、角度、

20、液位、压力、应力等等)的检测和各种无触点开关。当今，磁敏传感器的最大的产业性应用市场，是无刷直流电机。无刷直流电机在各种仪器、仪表中得到广泛应用。在音像设备中，可用来作磁带或磁鼓主导轴电机，在计算机和各种仪器中可作驱动电机和风扇电机，其用量特别宏大。而且，还在向各类家用电器、办公自动化设备及各种空间设备中逐步扩大；大功率的直流无刷电机也正向很多多粉尘的工业领域扩展。此中，用磁敏传感器来代替电刷起电枢电流的开关和换向器的作用。产量最大的霍尔元件的主要用处，就是直流无刷电机。各种磁记录信息的读出，包括磁带、磁盘、磁卡、磁性墨水记录的银行帐册等的读出，也在向纵深发展。磁卡用作各种安全保密装置“钥匙，

21、和其它的传感器及控制装置结合起来，构成完好的控制系统，其应用已由单机(如汽车、保险箱)的防盗报警，向系统化发展(例如用作楼宇安全控制)。磁带、磁盘的读出等前面已经述及，于此不赘。在汽车工业中，引擎的智能化，是节能和防污染的核心。要使引擎汽缸中的燃料充分燃烧，除在燃料空气比上下功夫之外，点火时间的控制也是一个关键，这就需要对曲轴位置、活塞速度进行检测，还需要准时送出点火讯号等等，这些环节的控制，都依靠各类磁敏传感器。在汽车防抱制动装置(ABS)中，用磁敏传感器来检测车轮速度，经计算机处理后用作调节制动气阀门的控制讯号。在刹车自锁装置(不再用手刹)中，也是用磁敏器件来作讯号收集装置。各种活动装置的

22、调整控制(例如门、窗、后盖、座椅、遮阳板、雨水刷等)，车速表、里程表、各种指示灯的控制，各种液位控制(例如油箱、传动器、洗涤器等)，蓄电池的自控制充电等等，很多方面都能够，而且，有些方面还必须采用磁敏传感器。据分析，一辆轿车中至少有三十多处需采用磁敏传感器。自动导航用罗盘，已有霍尔、磁电阻，磁通门等多种类型的产品可供选用能够预见，汽车工业将逐步变成磁敏传感器的又一大产业性的应用领域。各种磁敏电流(电压)传感器(例如霍尔电流(电压)传感器，磁光电流传感器等)，为能源管理提供了先进可靠的输入装置。霍尔电流(电压)传感器可提供和计算机直接接口的输出信号，可使电力系统的巡检、遥控、遥测实现自动化。这些

23、传感器可在高压电路中使用，实现全隔离无电位测量，没有插入损耗。而且，可将测得的数据作为控制信号，实现过载保护。它们还能进行负载分配；可进行接地故障的检测；功率因数和谐波状态检测，以便施行补偿；用电度数检测和自动计费等等，国外已经广泛使用。用以代替传统的互感器，除可获得前述种种功能，还可节约大量材料。在节能技术中，将磁敏电流(电压)传感器应用在各种沟通变频调速装置中，对各种拖动设备、风机、泵浦施行调速控制，节能效果极为显著。利用沟通变频技术来节约能源，国外早已普及，国内才处于起步阶段而且，我国是一个能源消耗大国，能源利用率还较低。这方面的产业性应用的潜力，将是无可限量的。磁敏电流传感器还用在各种

24、大功率拖动装置(如轧钢、电力机车起重机械等)中作测量、保护和控制装置，其节能效果也特别可观。用在各种大电流用电装置(如冶炼、电镀乃至可控核聚变的托卡马克等)作电流检测和控制，也比其它检测方法简便、可靠此外霍尔电流传感器还可用在各种特殊电源(如逆变电源、开关电源、不间断电源等等)中作监控、检测和保护装置，具有响应时间极快的特点。生产自动化设备的经过控制，是磁敏传感器最早实现产业性应用的一大领域。在这个领域中的各种长度、位置、转速、速度、角度、位移、压力、液位等的监测和控制，处处都可利用磁敏传感器。此中，值得指出的是磁敏传感器的无触点传感控制；它们本身没有可动部件，无磨损、可靠性高、寿命长且耐各种恶劣环境。随着生产自动化的发展，磁敏传感器在机电一体化的经过中将扮演愈来愈重要的角色。