一文讀懂磁傳感器(必須收藏)

文 | 傳感器技術（WW_CGQJS）

我們偉大中華祖先的四大發明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對於現代傳感器技術來講，它可算得上是磁傳感器的鼻祖了。

而在當今的電子時代，磁傳感器在電機、電力電子技術、汽車工業、工業自動控制、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統等方面都有著廣泛的應用。

磁傳感器是一種把磁場、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，以這種方式來檢測相應物理量的器件。用於感測速度、運動和方向，應用領域包括汽車、無線和消費電子、軍事、能源、醫療和數據處理等。

其中，霍爾效應傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應用。隨著持續的技術研發，各種磁傳感器誕生，並擁有更優異的性能、更高的可靠性。

1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬導電機制時發現了霍爾效應。但因金屬的霍爾效應很弱而一直沒有實際應用案例，直到發現半導體的霍爾效應比金屬強很多，利用這種現象才製作了霍爾元件。

在半導體薄膜兩端通以控制電流 I，並在薄膜的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，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，在聚集起來的電子與空穴之間會產生電場，電場強度與洛倫茲力產生平衡之後，不再聚集，這個現象叫做霍爾效應。在垂直於電流和磁場的方向上，將產生的內建電勢差，稱為霍爾電壓U。

霍爾電壓U與半導體薄膜厚度d，電場B和電流I的關係為U=k(IB/d)。這裡k為霍爾係數，與半導體磁性材料有關。

霍爾效應示意圖

霍爾傳感器利用霍爾效應的原理製作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關和磁力計三種。

由霍爾元件、線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強度呈線性關係，如下圖所示，在B1～B2的磁感應強度範圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀態。

線性型霍爾傳感器工作原理

霍爾線性器件擁有很寬的磁場量測範圍，並能識別磁極。其應用領域有電力機車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用於變頻器中用於監控電量、光伏直流櫃監測光伏匯流箱實時輸出電流的作用、電動機保護等。線性霍爾傳感器還可以用於測量位置和位移，霍爾傳感器可用於液位探測、水流探測等。

由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。

開關型霍爾傳感器工作原理

霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重複精度高，工作溫度範圍寬，可達-55℃～150℃。開關型霍爾傳感經過一次磁場強度的變化，則完成了一次開關動作，輸出數位訊號，可以計算汽車或機器轉速、ABS系統中的速度傳感器、汽車速度表和裡程表、機車的自動門開關、無刷直流電動機、汽車點火系統、門禁和防盜報警器、自動販賣機、印表機等。

是利用霍爾效應產生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計是採用CMOS工藝的平面器件。工藝相對一般IC更為簡單，一般採用P型襯底上N阱上形成傳感器件，通過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於管芯表面的的磁場變化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工藝上來講就是做原來的管芯上增加一層坡莫合金，可探測平行於管芯方向的磁場。由此，霍爾傳感器實現了從單軸到三軸磁力計的跨越式發展。

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

磁力計廣泛應用於智慧型手機、平板電腦和導航設備等移動終端，擁有巨大的市場前景。同時，磁力計可以與加速度計組成6軸電子羅盤，三種慣性傳感器（加上陀螺儀）組合在一起還能實現9軸組合傳感器，構成更強大的慣性導航產品。

某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發生變化，這種現象叫做磁阻效應，磁阻傳感器利用磁阻效應製成。

1857年，Thomson發現坡莫合金的的各向異性磁阻效應。對於有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。

當外部磁場與磁體內建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發生改變的；但當外部磁場與磁體的內建磁場有一定角度的時候, 磁體內部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。

坡莫合金的AMR效應

磁阻變化值與角度變化的關係

薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻並不與唯一的外加磁場值成對應關係。從上圖中，我們可以看到，當電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作於圖中線性區附近，這樣可以實現輸出的線性特性。

AMR磁傳感器的基本結構由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

AMR磁阻傳感器等效電路

1. 各向異性磁阻（AMR）技術最優良性能的磁場範圍是以地球磁場為中心，對於以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應用來說，具有廣大的運作空間，無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）技術是唯一被驗證，可以達到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導體工藝技術。其他可達到同樣精度技術都是無法與半導體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一矽片上並提供足夠的精確度。

3. AMR技術只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的製造設備，具有成本優勢。

4. AMR技術具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應用中尚無局限性。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場範圍內的弱磁場測量，製成各種位移、角度、轉速傳感器，各種接近開關，隔離開關，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應用包括各種導航系統中的羅盤，計算機中的磁碟驅動器，各種磁卡機、旋轉位置傳感、電流傳感、鑽井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。

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效應的發現比霍爾效應和AMR效應晚了100多年。

1988年，德國科學家格林貝格爾發現了一特殊現象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發現，微弱的磁場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現巨磁阻效應而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。

一般的磁鐵金屬，在加磁場和不加磁場下電阻率的變化為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在外加磁場下電阻率變化示意圖

「巨」（giant）來描述此類磁電阻效應，並非僅來自表觀特性，還由於其形成機理不同。常規磁電阻源於磁場對電子運動的直接作用，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。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關。

巨磁阻效應僅依賴於相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業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一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋電子學（Spintronics）以及新的傳感器技術奠定了基礎。

GMR效應的首次商業化應用是1997年，由IBM公司投放市場的硬碟數據讀取探頭。到目前為止，巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數位相機、MP3播放器的標準技術。

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磁阻傳感器由四個巨磁電阻構成惠斯通電橋結構，該結構可以減少外界環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FM/NM界面呈現不同的阻態，一個界面為高阻態，一個界面為低阻態，自旋的傳導電子可以在晶體內自由移動，整體上器件呈現低阻態；而當相鄰磁性層磁矩反平行分布，兩種自旋狀態的傳導電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層後，遇到另一個磁矩取向與其自旋方向相反的磁層，並在那裡受到強烈的散射作用，沒有哪種自旋狀態的電子可以穿越FM/NM界面，器件呈現高阻態。

平行磁場和反平行磁場作用下的等效電路圖

 GMR磁阻傳感器商業化時間晚於霍爾傳感器和AMR磁阻傳感器，製造工藝相對複雜，生產成本也較高。但其具有靈敏度高、能探測到弱磁場且信號好，溫度對器件性能影響小等優點，因此市場佔有率呈穩定狀態。GMR磁阻傳感器在消費電子、工業、國防軍事及醫療生物方面均有所涉及。

早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應。但是，這一發現當時並沒有引起人們的重視。在此後的十幾年裡，有關TMR效應的研究進展十分緩慢。在GMR效應的深入研究下，同為磁電子學的TMR效應才開始得到重視。2000年，MgO作為隧道絕緣層的發現為TMR磁阻傳感器的發展契機。

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等首次用實驗證明了磁性隧道結（Fe/MgO/FeCo）的TMR效應。2008年，日本東北大學的S. Ikeda, H. Ohno團隊實驗發現磁性隧道結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1100%。TMR效應具有如此大的電阻率變化，因此業界越來越重視TMR效應的研究和商業產品開發。

TMR元件在近年才開始工業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進行感應，比之前所發現並實際應用的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，更好的線性度，相對於霍爾元件不需要額外的聚磁環結構，相對於AMR元件不需要額外的set/reset線圈結構。

從經典物理學觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結構根本無法實現電子在磁層中的穿通，而量子力學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入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，少數自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，總的隧穿電流較大，此時器件為低阻狀態；

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入另一磁性層中少數自旋子帶的空態，而少數自旋子帶的電子也進入另一磁性層中多數自旋子帶的空態，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態。

可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴於兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當磁化方向發生變化時，隧穿電阻發生變化，因此稱為隧道磁電阻效應。

TMR磁化方向平行和反平行時的雙電流模型

TMR元件在近年才開始工業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進行感應，比之前所發現並實際應用的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，更好的線性度，相對於霍爾元件不需要額外的聚磁環結構，相對於AMR元件不需要額外的set/reset線圈結構。

下表是霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比，可以更清楚直觀的看到各種技術的優劣。

霍爾元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技術參數對比

作為GMR元件的下一代技術，TMR（MTJ）元件已完全取代GMR元件，被廣泛應用於硬碟磁頭領域。相信TMR磁傳感技術將在工業、生物傳感、磁性隨機存儲（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等領域有極大的發展與貢獻。

磁傳感器的發展,在本世紀70～80 年代形成高潮。90 年代是已發展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。

磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經濟、國防建設、科學技術、醫療衛生等領域都發揮著重要作用，成為現代傳感器產業的一個主要分支。在傳統產業應用和改造、資源探查及綜合利用、環境保護、生物工程、交通智能化管制等各個方面，它們發揮著愈來愈重要的作用。

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製造業的未來是智能化，智能化的基礎就是傳感器；網際網路的方向是物聯網，物聯網的基石也是傳感器；

 

《傳感器技術》彙編了一套各種傳感器的基礎知識，介紹了各種傳感器的原理。

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