什么是磁性传感器

磁性传感器是一种可检测磁铁,以及电流产生的磁场或地磁场的强度和方向的传感器。磁场存在于我们身边,只是用肉眼看不见它,但我们可以借助磁性传感器来检测出它。虽然都叫做磁传感器,但是其实包含许多种类。 

 

下面,我们介绍几种具代表性的磁性传感器及其各自的特点。

线圈

线圈是在众多磁性传感器中,最简单的一种磁性传感器。线圈可以检测出磁通量的变化。

如图1所示,当把磁铁靠近线圈时,线圈内磁通量⊿B增加。于是,在阻碍线圈磁通量增加的方向产生一个像磁通一样的诱导电动势/诱导电流。相反,当把此磁铁远离线圈时,因为线圈内的磁通量减少,线圈在使磁通量增加的方向生成一个诱导电动势/诱导电流。然而,当磁铁保持不动时,因为没有改变磁通量,所以不会产生诱导电动势/诱导电流。

因为线圈结构简单,所以它的特点是不易损坏。但因为线圈的输出电压依存于磁通量的变化速度,所以线圈无法用于检测磁通量变化缓慢的情况,或判断是否有固定的磁铁。

图1 线圈原理图

干簧管

是左右两片呈交迭状且间隔一小段空隙的金属片(簧片)密封于一玻璃管中的传感器。 当有外部磁场靠近时,管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触,簧片就会吸合在一起,使结点所接的电路连通。

图2 干簧管原理图

霍尔元件

霍尔元件是利用霍尔效应制作而成的元件,英文拼写为Hall。Hall的由来是源于发现霍尔效应的霍尔博士的名字。 霍尔效应是指,当在电流的流动方向施加一个垂直于电流的磁场时,垂直于电流和磁感线的方向会产生一个电势差的现象。

当电流通过半导体薄膜时,根据霍尔效应,会产生与磁通量密度和其方向相对应的电压。 这种基于霍尔效应制作而成的,检测磁场的元件叫做霍尔元件。(N型半导体霍尔元件的原理图如图3所示)

即使是磁通量没有变化的静态磁场,霍尔元件也可以检测出其有无,所以霍尔元件被应用于多种用途,例如与磁铁配套使用的非接触式开关,角度传感器,电流传感器等。采用霍尔元件的地磁传感器被广泛应用于智能手机等领域。

图3 霍尔元件的原理图(N型半导体)

磁阻元件

磁阻元件是用一种在外施磁场的作用下可以改变其自身阻值的材料制作而成的元件。

磁阻元件共分为四种,除了半导体磁阻元件(SMR元件)之外,还包括有用强磁体薄膜生成的各向异性磁阻(AMR Anisotropic Magneto Resistive),巨磁阻(GMR Giant Magneto Resistive),和隧道磁阻(TMR Tunnel Magneto Resistive)。

◆ 半导体磁阻元件的原理图 (SMR)

相对,霍尔元件是测量由洛伦兹力而产生电动势的传感器,半导体磁阻元件是利用由洛伦兹力而产生阻值变化的传感器。

图4展示的是AKM也有大量生产的N型半导体磁阻元件的阻值变化示例。(SMR:Semiconductor Magneto Resistive) SMR的构造是在半导体薄膜上装了金属电极。如图所示,想定在一个顺时针方向的电流流入半导体薄膜的情况下。 此时,N型半导体薄膜的载流子将向逆时针方向流动,将这时的速度矢量定为V。并且再施加一个图中方向的磁场,载流子受洛伦兹力作用,行走路线被弯曲变长,因此阻值增大。

图4 半导体磁阻元件的原理图

◆各向异性磁阻(AMR)

当强磁性薄膜的磁化方向和电流流动方向平行时(a),和当强磁性薄膜的磁化方向和电流流动方向垂直时(b),电子的分散度发生变化导致阻值变化。

图5 各向异性磁阻的原理图

◆ 巨磁阻(GMR)

在强磁性体(Pinned层)-非磁性金属-强磁性体(Free层)的交替层叠结构下, 当Pinned层和Free层的磁化方向反向平行时(a),和当Pinned层和Free层的磁化方向相同时(b),电子的分散度发生变化导致阻值变化。

图6 巨磁阻的原理图

◆ 隧道磁阻(TMR)

在强磁性体(Pinned层)-非磁性金属-强磁性体(Free层)的交替层叠结构下, 当Pinned层和Free层的磁化方向反向平行时(a),和当Pinned层和Free层的磁化方向相同时(b),电子的分散度发生变化导致阻值变化。

图7 隧道磁阻的原理图