传感技术中的微型磁传感器及应用市场
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2020-11-22
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传感技术中的微型磁传感器及应用市场传感技术中的微型磁传感器及应用市场
1 磁传感器及其发展 磁传感器，就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转
换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。其实出特点是可以非接触测量，检测信号几乎不受被测物
的影响，耐污染、噪声强，即使在很恶劣的环境条件下也能够可靠地工作，坚固耐用，寿命长。正因为如此，
从国防、航空航天到国民经济各个部门，从医疗卫生到人类日常生活的诸多方面，都用到了这种传感器。
磁传感器以利用磁铁的指南性作指南针航海为开端。其后，作为感知磁场和磁通的元器件，相继开发出探测线
圈，磁通门磁强计，半导体霍尔元件和磁电阻元件，铁磁薄膜各向异性磁电阻（AMR）元器件，还有使用块状
铁氧体磁芯的
1 磁传感器及其发展
磁传感器，就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应
物理量的器件。其实出特点是可以非接触测量，检测信号几乎不受被测物的影响，耐污染、噪声强，即使在很恶劣的环境条件
下也能够可靠地工作，坚固耐用，寿命长。正因为如此，从国防、航空航天到国民经济各个部门，从医疗卫生到人类日常生活
的诸多方面，都用到了这种传感器。
磁传感器以利用磁铁的指南性作指南针航海为开端。其后，作为感知磁场和磁通的元器件，相继开发出探测线圈，磁通门
磁强计，半导体霍尔元件和磁电阻元件，铁磁薄膜各向异性磁电阻（AMR）元器件，还有使用块状铁氧体磁芯的应力传感
器，使用热敏铁氧体磁芯的温度传感器，利用亚铁磁石榴石磁光效应的光纤电流传感器，高灵敏度超导量子干涉器件
（SQUID），等等。总之，磁传感器的种类甚多，更新换代频繁。
磁传感器通常都是组装在机器、设备内部来使用的。现代整机正迅速向小型轻便、多功能、智能化方向发展，要求所用传
感器即使对微小空间内物理量的变化也能够高灵敏度、高速度地做出响应。即在传感器本身需要小型轻量化的同时，还迫切希
望提高其工作速度、检测分辨率和灵敏度。
半导体大规模集成电路制造技术、微电子机械系统（MEMS）制造技术、微组装技术的推广应用，磁性薄膜、非晶、多层
膜、纳米磁性丝等新材料和平面线圈微磁器件制造工艺及表征手段的不断进步，为磁传感器的小型化、微型化奠定了可靠的基
础，应用各种新效应的许多新型高性能、小型化及微型化磁传感器正不断投放市场。早期上市的AMR薄膜敏感元件和传感
器，新近推出的GMI传感器、SI传感器、SV-GMR传感器，和即将实用化的薄膜磁通门磁强计、无线磁弹微型传感器阵列，就
是其中的典型代表。下面，简单介绍几种微型磁传感器的工作原理、基本结构及主要技术性能。
2 新式微型磁传感器
2.1 高灵敏度GMI和SI微型磁传感器
GMI磁传感器由低磁致伸缩材料和CMOS集成电路构成，利用磁性材料的巨磁阻抗（GMI）效应工作。所谓GMI效应，就
是给低磁致伸缩非晶丝或者图形化薄膜元件加上高频（>10kHz）电流时，受外部磁场的作用，敏感元件的磁导率和趋肤效应
就随磁场变化，结果，电感和电阻即阻抗发生急剧变化的现象。1992年，名古屋大学教授毛利佳年雄等人最先报导了这一新
效应[1]。
他们在研究中发现，用快淬富钴非晶丝，经过适当处理后，其阻抗变化率（△Z/Z）可达100～300%。近来，V•Zhukova
等人报告，用成分为Co67 Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7的非晶细丝，在最佳条件（金属核直径/丝总直径ρ=0.98，在频率
f=10MHz，通过电流I=0.75mA）下，由磁场感生的（△Z/Z）max≈615%。[2]另据日本东北大学教授荒井贤一报告，将铜导体
（厚3μm,宽0.5mm）夹在非晶磁膜（Co73Si12B15合金：厚2μm，宽2mm，长10mm）中间，并在其间加上SiO2绝缘层，在
元件长度方向施加直流外磁场和通过10MHz载波电流时，也可以得到大约600%的阻抗变化率和0.8%（A/m）的电压变化量。
[3]GMI磁传感器实用化的关键，一是选择合适的磁性材料，二是针对具体应用采用恰当的电路系统。目前，日本Unitika
股份有限公司已能够批量供应这种传感器用的丝材，它是把非晶合金CoFeSiB（λs=-10-7）冷拉成15～30μm直径，以后进行
张力退火，在其表层感生出精确的圆周各向异性。也有将Co85Nb12Zr磁膜加工成长条形作传感器和用Co73Si12B15非晶磁膜
与铜导体、SiO2绝缘层构成多层结构，做成外铁闭合磁路型传感器的。1997年，T•Kanno等人摸索到利用脉冲电流响应磁阻
抗效应的CMOS FET 传感器电路；高分辨率线性传感器在传感器电子线路中用负反馈回路，对高稳定开关型传感器则采用正
反馈回路。
日本爱知制钢公司于2001年用直径30μm长2mm CoFeSiB非晶丝开发出可高密度制造的CMOS型磁阻抗传感器集成电路
芯片，2002年又用φ20μm长1μm CoFeSiB非晶丝微机加工成CMOS型磁阻抗传感器集成电路芯片。证明可向市场提供低成本
大批量的GMI微型磁传感器产品。这种产品的主要性能指标列于表1，并向其他常用高性能磁传感器产品进行了比较。
2.2 SV-GMR传感器及其陈列
巨磁电阻（GMR）效应，最初是用厚度为数个原子层（数nm）的Fe/Cr多层膜，在4.2K加上1.6×107A/m磁场时发现的，
[7]其电阻值的变化（△R/Ro,△R=R11-R1）高达46%，而且有AMR效应的单层金属膜最大才4～6%。1991年Parkin等人用
Co/Cu多层膜，在室温下加磁场，使其电阻的变化达到了65%。但是，这种电阻变化所需的磁场太高，难以实用化。后来，改
由易磁化自由磁性层（NiFe等）/铜间隔层/难磁化钉扎层（如Co）/反铁磁交换耦合层（FeMn等）组成的所谓SV-GMR结构元
件，和CMOS集成电路结合，在高密度HDD机中首先被实际用作读出磁头，接着又开发出实用型高灵敏度磁场传感器。现正
在进行使用多个SV-GMR元件的微型磁传感器阵列开发。
2.3 薄膜磁通门磁强计
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