磁敏传感器发展综述

李 锋

(莱芜职业技术学院，济南 250000)

1 磁敏传感器原理

要想对磁敏传感器进行分析，需要对磁阻效应和霍尔效应有充分的了解。霍尔效应是指一个在磁场中静止的载流导体或半导体，当它出现电流和磁场二者方向不同时，在导体的电流方向和磁场方向两个垂直面上出现一定量的电动势，这种电动势就是霍尔电势。霍尔元件是被置于磁场中的电子元件，导致霍尔效应产生的直接原因是霍尔元件在磁场中受到洛伦磁力的影响，横向发生了漂移运动。如图1所示，假设导体厚度为d，宽度为l，沿x轴方向通有电流强度I，当在y轴方向加以匀强磁场B时，在导体薄片的上下两侧(图中的A，A’)产生一电位差UAA’。

图1 霍尔效应原理Fig.1 Principle of Hall effect

若想要计算被加到载流导体上的磁场对于电子施加的力，也就是洛伦兹力，就要用到F=ev×B这一公式。式中，e=-q是电子电荷,v是电子的运动速度。电子受到这份力的作用，不得不偏离原本的路线。如果由于晶格之间发生碰撞，引起的弛豫时间过短，那么向导体另一侧漂移的电子将产生横向电场，这将会对电子的进一步漂移运动产生影响。若弛豫时间相当长，那么电阻就会在很大程度上得到增长，也就是半导体的磁阻效应。

物理意义上的磁阻效应和几何学上的磁阻效应共同组成了磁阻效应。物理磁阻效应的状态一共有3种：在磁场较弱时，(ρnB-ρn)/ρn与B2成正比。在强磁场时，(ρnB-ρn)/ρn与B成正比。假设磁场无限大，那么电阻率ρ就会无限接近饱和状态。在假定磁场的作用不发生变化的情况下，因为导体材料几何形状不同，就会导致电阻值产生各种各样的变化，这就是几何磁阻效应。

2 磁敏传感器研究进展

磁敏传感器是具有高电子迁移率化合物半导体的具体应用。制造磁敏传感器所用材料为InSb和GaAs。磁敏传感器在电磁方面的最直接应用是监测磁场大小及方向，研究人员也在积极利用计算机新技术不断丰富磁敏传感器的应用。通过对传感磁场的应用，许多物理量都能够转化为电信号，这极大拓宽了磁敏传感器的应用领域。电子信息技术的发展将集成电路技术应用于磁敏传感器，形成了集成电路磁敏传感器。一般的平面霍尔器件都对垂直于表面的磁场敏感，为了对磁场矢量的传感和测试，国内外许多院校和科研单位正研究对平行于表面的磁场敏感的垂直霍尔器件，并在集成电路的基础上形成了集成的磁罗盘和三维霍尔磁敏传感器。此外，霍尔器件电路的性能也有了极大的提高。采用了4个霍尔元件并联并正交放置，可以降低不等位电势，在N型半导体霍尔元件硅基底和二氧化硅间放置一层P型掩蔽层，除去了表面可移动电荷的影响，改善了霍尔元件的线性度，提高了灵敏度。霍尔电路中的过流保护电路和过热熔断电路以及温度补偿电路等，其工作温度达到150℃，能承受瞬时180℃的高温，因此霍尔元件在发动机定时点火和汽车ABS中可靠实用，可用于大功率直流无刷电机中。目前，技术成熟并已经较大规模地投入使用的磁传感器类型如表1。

表1 磁敏传感器与相应的物理效应Tab.1 Magneto-dependent sensor and corresponding physical effect

锑化铟磁阻薄膜的发展使制作的霍尔元件具有灵敏度高、用量大、体积小、便于使用等特点，成本大幅下降，产能剧增，国际市场年需求量约20亿只，国内市场年需求量约2亿只。强磁体合金薄膜和巨磁电阻多层薄膜的研究与开发促进了各种磁阻器件的发展，应用领域广泛。新器件具有灵敏度较高、稳定性较强等特点，在学术界产生了较大的讨论。另外，非晶合金材料和Ⅲ—V族半导体异质结构材料的开发和应用发展迅速，利用这类材相对高的电子迁移率、低的表面电子浓度以及宽的禁带宽度，得到了较低的温度系数和噪声，提高了灵敏度，大大改善了磁敏传感器的性能。

3 国内外磁敏传感器的发展现状

国外市场的应用类型主要是霍尔元件和磁阻元件。近年来，巨磁阻元件也有着较为巨大的发展潜力。不接触便能进行测量是磁敏传感器应用的最大优点。霍尔元件也得到了广泛的应用。磁场测量：以测量结果为参考制作特斯拉计的检测探头，制作电流传感器、变送器的一次元件。直流无刷电机：对转子位置进行监测，并提供激励信号。位移传感器：利用磁尺进行长距离测量。角位移传感器：主要用于转动角度测量，在汽车制造行业中取得了较大成绩。霍尔元件主要的生产厂家有日本旭化成公司、东芝，美国Honeywell公司、Allogro公司。主要代表商有日本SONY公司和荷兰PHILIPS公司。

目前，国内磁敏传感器在技术方面除了巨磁阻器件和发达国家的生产企业存在较大差距以外，其他常用磁敏传感器，如霍尔元件、磁阻元件等的生产技术与国外厂家差距不大。在直流无刷电机领域，以锑化铟霍尔元件为主，经常被应用于直流无刷电机中转子位置的监测，还应用于电流传感器、专用测量仪器仪表及转速、转数测量，伪钞识别等方面。

4 磁敏传感器的应用前景

随着信息产业和过程控制等产业的发展，各种半导体磁阻型传感器广泛应用于自动控制、测量等领域，在汽车制造、机电机械、仪器仪表、航空航天等领域中占据着重要地位。磁场检测的范围要求一般在10nT～1T，且要求磁敏传感器结构精巧坚固、体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、与外电路接口方便，能在强震、多尘、高温、污染、腐蚀等恶劣环境下工作，抗干扰能力强，性价比高，适合规模化生产，这标志着磁敏传感器的生产向着更高端要求发展。灵巧化、智能化和多功能化是磁敏传感器发展的必然趋势，具有巨大的市场前景和发展潜力。