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磁敏傳感器中,霍爾元件及霍爾傳感器的生產(chǎn)量是最大的。它主要用于無刷直流電機(霍爾電機)中,這種電機用于磁帶錄音機、錄像機、XY記錄儀、打印機、電唱機及儀器中的通風風扇等。另外,霍爾元件及霍爾傳感器還用于測轉(zhuǎn)速、流量、流速及利用它制成高斯計、電流計、功率計等儀器。 磁敏傳感器是傳感器產(chǎn)品的一個重要組成部分, 隨著我國磁敏傳感器技術(shù)的發(fā)展, 其產(chǎn)品 種類和質(zhì)量將會得到進一步發(fā)展和提高, 進軍汽車, 民用儀表等這些量大面廣的應(yīng)用領(lǐng)域即 將實現(xiàn).國產(chǎn)的電流傳感器,高斯計等產(chǎn)品日前已經(jīng)開始走入國際市場,與國外產(chǎn)品的差距 正在快速縮小
磁敏傳感器的工作原理
磁敏傳感器,顧名思義就是感知磁性物體的存在或者磁性強度(在有效范圍內(nèi))這些磁性材料除永磁體外,還包括順磁材料(鐵、鈷、 鎳及其它們的合金)當然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場。
一, 傳統(tǒng)的磁檢測中首先被采用的是電感線圈為敏感元件。特點正是無須在線圈中通電,一般僅對運動中的永磁體或電流載體起敏感作用。后來發(fā)展為用線圈組成振蕩槽路的。 如探雷器, 金屬異物探測器,測磁通的磁通計等. (磁通門,振動樣品磁強計)。
霍爾效應(yīng):通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時,則載流子受到洛倫茲力的作用, 并有向兩邊聚集的傾向,由于自由電子的聚集(一邊多一邊必然少)從而形成電勢差, 在經(jīng)過特殊工藝制備的半導體材料這種效應(yīng)更為顯著。從而形成了霍爾元件。早期的霍爾效應(yīng)的材料Insb(銻化銦)。為增強對磁場的敏感度,在材料方面半導體IIIV 元素族都有所應(yīng)用。近年來,除Insb之外,有硅襯底的,也有砷化鎵的。霍爾器件由于其工作機理的原因都制成全橋路器件,其內(nèi)阻大約都在150Ω~500Ω之間。對線性傳感器工作電流大約在2~10mA左右,一般采用恒流供電法。
Insb與硅襯底霍爾器件典型工作電流為10mA。而砷化鎵典型工作電流為2 mA。作為低弱磁場測量,我們希望傳感器自身所需的工作電流越低越好。(因為電源周圍即有磁場,就不同程度引進誤差。另外,目前的傳感器對溫度很敏感,通的電流大了,有一個自身加熱問題。(溫升)就造成傳感器的零漂。這些方面除外附補償電路外,在材料方面也在不斷的進行改進。
霍爾傳感器主要有兩大類,一類為開關(guān)型器件,一類為線性霍爾器件,從結(jié)構(gòu)形式(品種)及用量、產(chǎn)量前者大于后者。霍爾器件的響應(yīng)速度大約在1us 量級。
磁阻傳感器,磁敏二極管等是繼霍爾傳感器后派生出的另一種磁敏傳感器。采用的半導體材料于霍爾大體相同。但這種傳感器對磁場的作用機理不同,傳感器內(nèi)載流子運動方向與被檢磁場在一平面內(nèi)。(順便提醒一點,霍爾效應(yīng)于磁阻效應(yīng)是并存的。在制造霍爾器件時應(yīng)努力減少磁阻效應(yīng)的影響,而制造磁阻器件時努力避免霍爾效應(yīng)(在計算公式中,互為非線性項)。在磁阻器件應(yīng)用中,溫度漂移的控制也是主要矛盾,在器件制備方面,磁阻器件由于與霍爾不同,因此,早期的產(chǎn)品為單只磁敏電阻。由于溫度漂移大,現(xiàn)在多制成單臂(兩只磁敏電阻串聯(lián))主要是為補償溫度漂移。目前也有全橋產(chǎn)品,但用法(目的)與霍爾器件略有差異。據(jù)報導磁阻器件的響應(yīng)速度同霍爾1uS量級。
磁阻傳感器由于工作機理不同于霍爾,因而供電也不同,而是采用恒壓源(但也需要一定的電流)供電。當后續(xù)電路不同對供電電源的穩(wěn)定性及內(nèi)部噪聲要求高低有所不同。
在磁敏元件作為檢測磁場而設(shè)計和制造的 ,一般檢測的概念是:測量磁場中某一點的磁性。作為點的定義在幾何學中是無限小的。在磁場檢測中,由于磁場的面積、體積、縫隙大小等都是有限面積(尺寸),因此我們希望磁敏元件之面積與被測磁場面積相比也應(yīng)該是越小越準確。在磁場成像的技術(shù)中,元件體積越小,在相同的面積內(nèi)采集的像素就愈多。分辨率、清晰度越高。在表面磁場測量與多級磁體的檢測中,在磁柵尺中,必然有如此要求。從磁敏元件工作機理看,為提高靈敏度在幾何形狀處于磁場中的幾何尺寸都有相應(yīng)要求,這與“點”的要求是相矛盾的。在與國外專家技術(shù)交流中得知,1999年俄羅斯專家說他們制成了體積0 .6mm得探頭(是幾個研究所合作搞成的)。美國也有相應(yīng)的產(chǎn)品,售價約70美元一只。是否是目前最高水平,未見其它報導。
磁敏傳感器的發(fā)展特點
1. 集成電路技術(shù)的應(yīng)用. 將硅集成電路技術(shù)應(yīng)用于磁敏傳感器, 制成集成磁敏傳感器.
2.InSb 薄膜技術(shù)的開發(fā)成功,使得霍爾器件產(chǎn)能劇增,成本大幅度下降.
3.強磁體合金薄膜得到廣泛應(yīng)用.各種磁阻器件出現(xiàn),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛.
4.巨磁電阻多層薄膜的研究與開發(fā).新器件的高靈敏度,高穩(wěn)定性,引起研制高密度 記錄磁盤讀出頭的科技人員的極大關(guān)注.
5.非晶合金材料的應(yīng)用.與基礎(chǔ)器件配套應(yīng)用,大大改善了磁傳感器性能.
6.Ⅲ—V 族半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)和應(yīng)用.通過外延技術(shù),形成異質(zhì)結(jié)構(gòu),提高 磁敏器件的性能.
國外磁敏傳感器的現(xiàn)狀
1.國外磁傳感器的常見種類 就市場占有情況來看,國外磁敏傳感器主要品種依然是霍爾元件,磁阻元件.近期的 巨磁阻元件也有良好的發(fā)展空間.
2.外磁傳感器的代表廠商: 霍爾元件:日本旭化成;日本東芝;美國 HONeywell 公司;美國 Allogro 公司. 磁阻器件:日本 SONY 公司;荷蘭 PHILIPS 公司.
3.國外磁傳感器的應(yīng)用情況 磁敏傳感器應(yīng)用的最大特點是無接觸測量.
霍爾元件: 磁場測量,做高斯計(特斯拉計)的檢測探頭. 電流檢測,做電流傳感器/變送器的一次元件. 直流無刷電機,用于檢測轉(zhuǎn)子位置并提供激勵信號. 集成開關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測量.