我們偉大中華祖先的四大發(fā)明之一——指南針，可謂是無人不知啊，對于現(xiàn)代傳感器技術(shù)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(shù)、汽車工業(yè)、工業(yè)自動控制、機器人、辦公自動化、家用電器及各種安全系統(tǒng)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

磁傳感器

磁傳感器是一種把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件。用于感測速度、運動和方向，應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、無線和消費電子、軍事、能源、醫(yī)療和數(shù)據(jù)處理等。

磁傳感器市場按照技術(shù)進步的發(fā)展，主要分為四大類：霍爾效應(yīng)（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(yīng)傳感器的歷史最悠久，獲得廣泛應(yīng)用。隨著持續(xù)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(yīng)（Hall Effect）傳感器
1879 年，美國物理學(xué)家霍爾在研究金屬導(dǎo)電機制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。但因金屬的霍爾效應(yīng)很弱而一直沒有實際應(yīng)用案例，直到發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強很多，利用這種現(xiàn)象才制作了霍爾元件。

在半導(dǎo)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(yīng)強度為 B 的勻強磁場，半導(dǎo)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(chǎn)生電場，電場強度與洛倫茲力產(chǎn)生平衡之后，不再聚集，這個現(xiàn)象叫做霍爾效應(yīng)。在垂直于電流和磁場的方向上，將產(chǎn)生的內(nèi)建電勢差，稱為霍爾電壓 U。

霍爾電壓 U 與半導(dǎo)體薄膜厚度 d，電場 B 和電流 I 的關(guān)系為 U=k(IB/d)。這里 k 為霍爾系數(shù)，與半導(dǎo)體磁性材料有關(guān)。

霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)的原理制作，主要有霍爾線性傳感器、霍爾開關(guān)和磁力計三種。

1. 線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

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范圍，并能識別磁極。其應(yīng)用領(lǐng)域有電力機車、地下鐵道、無軌電車、鐵路等，還可用于變頻器中用于監(jiān)控電量、光伏直流柜監(jiān)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. 開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)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(shù)字量。

開關(guān)型霍爾傳感器工作原理

霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高，工作溫度范圍寬，可達 -55℃～150℃。開關(guān)型霍爾傳感經(jīng)過一次磁場強度的變化，則完成了一次開關(guān)動作，輸出數(shù)字信號，可以計算汽車或機器轉(zhuǎn)速、ABS 系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、機車的自動門開關(guān)、無刷直流電動機、汽車點火系統(tǒng)、門禁和防盜報警器、自動販賣機、打印機等。

3. 磁力計
是利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電勢差來測算外界磁場的大小和極性。磁力計是采用 CMOS 工藝的平面器件。工藝相對一般 IC 更為簡單，一般采用 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(diào)節(jié)處理器等）相連。

但這樣設(shè)計的的霍爾傳感器只能感知垂直于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，可探測平行于管芯方向的磁場。由此，霍爾傳感器實現(xiàn)了從單軸到三軸磁力計的跨越式發(fā)展。

磁力計廣泛應(yīng)用于智能手機、平板電腦和導(dǎo)航設(shè)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(xiàn) 9 軸組合傳感器，構(gòu)成更強大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

各向異性磁阻（AMR）傳感器
某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。

1857 年，Thomson 發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對于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(guān)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(nèi)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(fā)生改變的；但當外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)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(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱 AMR）

坡莫合金的 AMR 效應(yīng)

磁阻變化值與角度變化的關(guān)系

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，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應(yīng)關(guān)系。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，一般磁阻工作于線性區(qū)附近，這樣可以實現(xiàn)輸出的線性特性。

AMR 磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)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(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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

各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾點：

1. 各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應(yīng)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(shù)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(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達到同樣精度技術(shù)都是無法與半導(dǎo)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，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)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(yīng)用中尚無局限性。

AMR 磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、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。

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(yīng)的發(fā)現(xiàn)比霍爾效應(yīng)和 AMR 效應(yīng)晚了 100 多年。

1988 年，德國科學(xué)家格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。同時，法國科學(xué)家費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導(dǎo)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(xiàn)巨磁阻效應(yīng)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(gòu)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(yīng)的命名緣由。

“巨”（giant）來描述此類磁電阻效應(yīng)，并非僅來自表觀特性，還由于其形成機理不同。常規(guī)磁電阻源于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(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關(guān)。

巨磁阻效應(yīng)僅依賴于相鄰磁層的磁矩的相對取向，外磁場的作業(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(yīng)更重要的意義是為進一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)（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(chǔ)。

GMR 效應(yīng)的首次商業(yè)化應(yīng)用是 1997 年，由 IBM 公司投放市場的硬盤數(shù)據(jù)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(shù)碼相機、MP3 播放器的標準技術(shù)。

GMR 傳感器的材料結(jié)構(gòu)

具有 GMR 效應(yīng)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(jié)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(jié)構(gòu)在當前的 GMR 磁阻傳感器中應(yīng)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(jié)構(gòu)。

自旋閥 GMR 磁阻傳感器基本結(jié)構(gòu)

GMR 磁阻傳感器由四個巨磁電阻構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)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(xiàn)不同的阻態(tài)，一個界面為高阻態(tài)，一個界面為低阻態(tài)，自旋的傳導(dǎo)電子可以在晶體內(nèi)自由移動，整體上器件呈現(xiàn)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(dǎo)電子都在穿過磁矩取向與其自旋方向相同的一個磁層后，遇到另一個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，沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越 FM/NM 界面，器件呈現(xiàn)高阻態(tài)。

GMR 磁阻傳感器商業(yè)化時間晚于霍爾傳感器和 AMR 磁阻傳感器，制造工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)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(yōu)點，因此市場占有率呈穩(wěn)定狀態(tài)。GMR 磁阻傳感器在消費電子、工業(yè)、國防軍事及醫(yī)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(jié)（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中觀察到了 TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當時并沒有引起人們的重視。在此后的十幾年里，有關(guān) TMR 效應(yīng)的研究進展十分緩慢。在 GMR 效應(yīng)的深入研究下，同為磁電子學(xué)的 TMR 效應(yīng)才開始得到重視。2000 年，MgO 作為隧道絕緣層的發(fā)現(xiàn)為 TMR 磁阻傳感器的發(fā)展契機。

2001 年，Butler 和 Mathon 各自做出理論預(yù)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(jié)（Fe/MgO/FeCo）的 TMR 效應(yīng)。2008 年，日本東北大學(xué)的 S. Ikeda, H. Ohno 團隊實驗發(fā)現(xiàn)磁性隧道結(jié) 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(yīng)具有如此大的電阻率變化，因此業(yè)界越來越重視 TMR 效應(yīng)的研究和商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。

TMR 元件在近年才開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)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(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指 TMR 元件，MTJ 元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于 AMR 元件不需要額外的 set/reset 線圈結(jié)構(gòu)。

TMR 磁阻傳感器的材料結(jié)構(gòu)及原理

從經(jīng)典物理學(xué)觀點看來，鐵磁層（F1）+絕緣層（I）+鐵磁層（F2）的三明治結(jié)構(gòu)根本無法實現(xiàn)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(xiàn)象。當兩層鐵磁層的磁化方向互相平行，多數(shù)自旋子帶的電子將進入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，少數(shù)自旋子帶的電子也將進入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，總的隧穿電流較大，此時器件為低阻狀態(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(shù)自旋子帶的電子將進入另一磁性層中少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，而少數(shù)自旋子帶的電子也進入另一磁性層中多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，此時隧穿電流較小，器件為高阻狀態(tài)。

可以看出，隧道電流和隧道電阻依賴于兩個鐵磁層磁化強度的相對取向，當磁化方向發(fā)生變化時，隧穿電阻發(fā)生變化，因此稱為隧道磁電阻效應(yīng)。

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(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進行感應(yīng)，比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)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(jié)（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）來代指 TMR 元件，MTJ 元件具有更好的溫度穩(wěn)定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，相對于霍爾元件不需要額外的聚磁環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于 AMR 元件不需要額外的 set/reset 線圈結(jié)構(gòu)。

下表是霍爾元件、AMR 元件、GMR 元件以及 TMR 元件的技術(shù)參數(shù)對比，可以更清楚直觀的看到各種技術(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(shù)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(yīng)用于硬盤磁頭領(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)展起來的這些磁傳感器的成熟和完善的時期。

磁傳感器的應(yīng)用十分廣泛，已在國民經(jīng)濟、國防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，成為現(xiàn)代傳感器產(chǎn)業(yè)的一個主要分支。在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)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方面，它們發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

審核編輯黃昊宇