磁性传感器的应用和发展趋势.pdf
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1142013.08磁性元件与电源1慨况近几年来物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一,是新一代信息技术的重要组成部分,引起政府与商界的同时关注。
这是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。
物联网的定义是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
传感技术是物联网的基础技术之一,没有智能传感器就谈不上物联网。
所以,物联网在国际上又称为传感网。
我国传感器产品仅有10大类、42小类、6000多个品种,磁性传感器只是其中一大类,它具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等基本特点。
众所周知,磁场能够穿透许多非金属物质材料,因此无须直接接触目标物体就可触发交换过程。
通过使用磁性导体(比如铁),磁场即可被传导到较远的距离,于是,信号就能从温度较高的区域传送出去。
因此,人们把磁场、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叫做磁性传感器。
它是现代各种测量弱磁场仪器中的核心部件,从这个意义上说,磁性传感器技术实际上就是一种弱磁场技术。
由磁性传感器为核心的数十种测量弱磁场的仪器,在国民经济、科学技术、军事医学等领域里发挥着极其重要的作用。
它们不但用于检测磁场的大小和方向,而且还和永磁体等组合,用于位置、速度、角度、温度、电流等各种非磁学量的非接触检测,在工农业生产、管理、办公自动化中担负着日益重要的检测和控制功能的作用;在资源开发、能源节能、环保、医疗卫生等领域里也发挥着极其重要的作用。
2磁性传感器的现状2.1发展历程磁性传感器是以利用磁铁的指向性作指南针航海为开端的。
其后,为感知磁场和磁通的变化,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、使用块状铁氧体磁芯的应力传感器、以热敏铁氧体为磁芯的温度传感器、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)、巨磁阻传感器和巨磁阻抗传感器等等,种类之多不胜枚举。
上世纪7080年代是磁性传感器的发展高潮期;90年代是这些磁性传感器的成熟和完善期;本世纪初至今,是新型磁性传感器的研究开发期。
2.1.1集成电路技术将硅集成电路技术用于磁性传感器,始于1967年。
HoneywellMi2croswitch分部的科技人员将硅霍尔片和它的磁性传感器的应用和发展趋势ApplicationandDevelopTrendofMagneticSensors张继松1,赵七一1,李晓光21西南应用磁学研究所四川绵阳6210002赛茂科技有限公司四川绵阳621000摘要:
本文对磁性传感器的工作原理、发展现状作了简单描述,对其应用领域进行了较详细地介绍,探讨了其发展趋势和方向。
关键词:
磁性传感器,应用领域,发展前景中图分类号:
TN6文献标识码:
A文章编号:
1606-7517(2013)08-7-114大比特电子变压器论坛http:
/bbs.big-bit.com2013.08115磁性元件与电源讯号处理电路集成到一个单芯片上,制成了开关电路,首开了单片集成磁性传感器之先河。
现在,已经有了磁敏电阻电路、巨磁阻电路等许多种功能性的集成磁性传感器。
2.1.2InSb薄膜技术InSb薄膜技术的开发成功使InSb霍尔元件产量大增,成本大幅度下降。
最先运用这种技术获得成功的日本旭化成电子公司,可年产5亿只以上。
2.1.3强磁性合金薄膜1975年面市的强磁合金薄膜磁敏电阻器利用的是强磁合金薄膜中的磁敏电阻各向异性效应。
在与薄膜表面平行的磁场作用下,以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻率呈现出2%5%的变化。
利用这种效应已制成三端、四端磁阻器件。
四端磁阻器件已大量用于磁编码器中,用来检测和控制电机的转速。
此外,还作成了磁阻磁强计、磁阻读头以及二维、三维磁阻器件等。
它们可检测10-1010-2T的弱磁场,灵敏度高、温度稳定性好,已成为弱磁场传感和检测的重要器件。
2.1.4巨磁电阻多层膜由不同金属、不同层数和层间材料的不同组合,可以制成不同的机制的巨磁电阻(giantmagneto-resistance)磁性传感器。
它们呈现出的随磁场而变化的电阻率,比单层的各向异性磁敏电阻器的要高出几倍,用来制作高密度记录磁盘读出头。
2.1.5非晶合金材料用非晶合金材料生产出了双芯多谐振荡桥磁性传感器、非晶力矩传感器、压力传感器、热磁传感器、非晶大巴克豪森效应磁传感器等。
巨磁感应效应(giantmagnetoinductiveeffect)和巨磁阻抗效应(giantmagneto-impedanceeffect)比巨磁电阻的响应灵敏度高一个量级,成为高密度磁盘读头的有力竞争者。
利用非晶合金的高导磁率特性和可做成细丝的机械特性,将它们用于磁通门和威根德等器件中,取代坡莫合金芯,使器件性能得到大大的改善。
2.1.6-族半导体异质结构材料在InP衬底上用分子束外延技术生长In0.52Al0.48As/In0.8Ga0.2As,形成假晶结构,产生二维电子气层,其层厚是分子级的,这种材料的能带结构发生改变。
用这种材料来制作霍尔元件,其灵敏度高于市售的InSb和GaAs元件,在296K时为22.5V/T,灵敏度的温度系数也有大的改善,用恒定电流驱动时,为-0.0084%/K。
用这种材料,除可制造霍尔器件外,还可用以制造磁敏场效应管、磁敏电阻器等。
2.1.7磁流体磁流体传感器(magneticfluidsensor,MFS)是磁流体应用的一个非常重要方面。
1983年,美国著名ATA应用技术公司就开发出高精度的基于磁流体动力学原理(magnetohy2drodynamics,MHD)的磁流体传感器,广泛用于大型机器模态分析、航空器风洞试验中各种振动检测。
以后十多年,美国、德国、日本、罗马尼亚等国学者在新型磁流体传感器都做了大量工作,相关专利成果不断涌现,广泛用于航空航天和国防军事领域,解决各种特殊、复杂、高精度、条件恶劣下的测试问题。
2.1.8MEMS技术采用MEMS技术制作的新型MEMS磁性传感器广泛用于移动消费类电子产品(如手机)与汽车电子、工业应用等高端传感器件。
目前市场容量超过10亿美元,普通磁性传感器由于存在体积大、功耗高、检测分辨率低、第三轴磁性传感灵敏度差等缺点已不能满足高端市场需求。
采用MEMS技术和CMOS大规模标准集成电路工艺,制备出的体积小、重量轻、低成本、可批量生产的新型磁传感器,可以和IC实现系统集成,并能扩展集成其它MEMS传感器。
随着CMOS技术和MEMS技术的发展,微电子机械系统(MEMS)制造技术为磁性传感器的小型化、微型化奠定了可靠的基础。
它实现了直接将磁性传感器件与CMOS电路集成到同一封装体中,降低了器件成本,同时具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等特点,能够完成许多常规尺寸磁性传感器不能完成任务,是磁性传感器件发展必然趋势。
2.1.9灵敏度(分辨率)达0.1nT磁性传感器日本爱知制钢在“人与车科技展2011”(2011年5月1820日)上展出了该公司的磁性传感器产品群。
其中,灵敏度较高的是“灵敏度(分辨率)达0.1nT”的磁性传感器。
这种磁性传感器采用了MI元件,因此灵敏度较高。
提高灵敏度的目的在于取代生物磁性测量用超导量子干扰元件(SQUID)。
如果能将价格较高的SQUID替换成廉价的MI元件,价格方面带来的冲击力将很大。
此外,爱知制钢还展出了将3轴加速度传感器和3大比特电子变压器论坛http:
/bbs.big-bit.com1162013.08磁性元件与电源轴磁传感器封装在一起的“AMI603”和3轴磁传感器“AMI306”等产品。
AMI603是2011年4月刚发布的新产品。
AMI603的特点是外形尺寸小、方位检测精度高、测量时间短等。
外形尺寸仅3.0mm3.0mm1.1mm。
方位精度的误差在3度以下,与误差在10度以下的原产品相比,精度获得提高。
测量时间为0.6ms。
由于能够快速测量,因此可像陀螺仪传感器那样测量旋转速度。
消耗电流为0.5mA。
样品已于2011年4月开始销售。
样品价格为每个3美元。
2.2磁性传感器的主要生产厂家AsahiKaseiMicrosystems(AKM)是无可置疑的磁性传感器霍尔元件与集成电路领先供应商。
该公司之所以占据榜首位置,是因为在生产商品类霍尔元件和集成电路方面享有巨大的规模经济优势,几乎无人能敌,而高价的电子罗盘则帮助该公司获得营业收入第一的排名。
这类罗盘用于多种产品之中,如手机、平板电脑、数码相机、个人导航设备和MP3播放器。
直线位移传感器。
AKM的3轴电子罗盘占其整体磁传感器营业收入的三分之一以上,其余三分之二来自面向消费电子产品与电器的低成本开关和传感器。
在这方面AKM也在全球拥有无可置疑的主导地位。
美国AllegroMicroSystems排名第二,2011年磁性传感器营业收入为3.02亿美元,比2010年的2.64亿美元增长14%。
该公司2011年明智地退出由AKM等厂商主导的低成本消费传感器市场,进入汽车传感器等价值较高的产品领域。
它在面向汽车凸轮轴与开关的高价霍尔速度传感器领域实力强大,是最主要的汽车磁性传感器供应商,也是电池监测系统等应用领域的霍尔电流传感器主要供应商。
德国英飞凌排名第三,2011年营业收入为1.88亿美元,大增33%。
英飞凌的增长主要来自面向汽车操纵应用领域的轮速感测与据矩传感器,是最大的轮速传感器供应商。
该公司在集成巨型磁阻传感器元件与专用集成电路(ASIC)方面也处于前列。
ASIC的空间分辨率高于霍尔传感器,适用于方向盘角度测量等精密应用。
Micronas排名第四,磁性传感器2011年营业收入从1.43亿美元至1.50亿美元。
它的产品组合很宽,多数面向汽车应用,也是最大的线性霍尔传感器供应商。
但也越来越重视工业传感器。
Micronas一直在开发3D霍尔技术,但落后于Melexis。
比利时MelexisNV排名第五,2011年营业收入比2010年增长5%,从1.07亿美元上升到1.12亿美元。
专注于汽车应用,也提供面向手机显示管理应用的商品类霍尔开关,同时也在测量电流的传感器中占有重要地位,80%左右的精力仍在汽车方面,尽管也供应用于手机显示屏的开关。
近年在中国汽车市场获得可观的份额。
油门踏板位置感测传感器市场继续领跑,而且是遥遥领先在这个领域,Melexis的霍尔传感器和3D霍尔传感器用于电子油门控制系统。
现在许多汽车普遍采用电子油门控制系统,3D霍尔传感器扩展了现有霍尔传感器的空间分辨率,可与性能较高的磁阻磁传感器抗衡。
荷兰恩智浦半导体排名第六,2011年营业收入为9600万美元;日本爱知制钢株式会社排名第七,营业收入2011年为4000万美元;奥地利AMSAG(前身是austriamicrosystems)与美国MemsicInc.并列第八,营业收入2011年均为2900万美元;美国DiodesInc.排名第10,2011年营业收入为2400万美元。
中国有1600多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用,年产量达24亿只,市场规模超过900亿元,但是生产磁性传感器的上游企业几乎还是空白。
3磁性传感器的应用3.1在工业上用途广泛在工业应用领域,最流行的磁性传感器类型是电流传感器,包括分流电阻器、霍尔效应集成电路、电流感应变压器、开环与闭环霍尔器件以及磁通门传感器。
3.1.1电机低电压交流与直流电机、三相感应电机、步进电机和伺服电机、单相电机和紧凑型电机驱动器等各类电机消耗的电力估计占到45%,如果能提高电机的效率,就可能节省大量能源。
在无刷电动机中,用磁性传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器,许多磁性传感器,霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用,但当前大量使用的,主要还是霍尔器件。
另外磁性传感器还可以对电机进行过载保护及转矩检测;交流变频器用于电机调速,节能效果极好。
由于磁编码器的使用显示出越来越多的优点,因此正在逐渐取代光编码器来对电机的转速进行检测和控制;例如,在电动车窗之中,传感器可以确定轴转动大比特电子变压器论坛http:
/bbs.big-bit.com2013.08117磁性元件与电源了多少圈,以控制车窗升降器的行程。
传感器也可以探测到人手造成的异常负载情况,提供所谓的“防夹”功能,在碰到物体的时候,电机可以反转。
用于直流电机换向和探测电流的电动助力转向传感器也是一个快速增长的应用,用于代替电动液压型系统。
促使人们提高电机效率的一个重要因素是能耗,节省每一滴燃料都很关键,生成的每克二氧化碳尾气都需考虑在内。
这方面的趋势是皮带驱动的电机电气化,并代之以无刷直流电机。
这些效率更高的电机允许按需操作主要的动力传动部件水冷泵、油泵以及其它辅助泵,并且可以降低总体能量需求。
3.1.2电力电子技术电力电子技术是电力技术和电子技术的结合,可实现交直流电流的相互变换,并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。
采用这些技术和产品,可做成各种特殊电源(如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等)和交流变频器等产品。
这些变频装置的核心,是大功率半导体器件。
以磁性传感器为基础的各种电流传感器被用来监测控制和保护这些大功率器件。
霍尔电流传感器响应速度快,且依靠磁场和被控电路耦合,不接入主电路,因而功耗低,抗过载能力强,线性好,可靠性高,既可作为大功率器件的过流保护驱动器,又可作为反馈器件,成为自控环路的一个控制环节。
使用变频技术可以大量节能,目前国外使用的电能95%是经过变换来的,国内变频技术虽已受到高度重视,但仅有5%的电能经过这种变换,可见具其后续改造空间之大,将需求大量的电流传感器,这将是磁性传感器的又一巨大的产业性应用领域。
3.1.3能源管理电网的自动检测系统需采集大量的数据,经计算机处理之后,对电网的运行状况实施监控,并进行负载的分配调节和安全保护。
自动监控系统的各个控制环节,都可用以磁性传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。
霍尔电流传感器早已在电网系统中得到应用。
用霍尔器件作成的电度表也已从研制转向实用化,它们可自动计费并可显示功率因数,以便随时进行调整,保证高效用电。
3.1.4磁信息记录装置磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外,还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等,对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。
目前,感应磁头,薄膜磁阻磁头,非晶磁头等都获得了大量的使用。
随着记录密度的提高,例如高到100G字节,需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。
以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等正展开激烈的竞争。
3.1.5交通控制交通事故和交通堵塞是城市中和城市间交通存在的一个大问题。
目前,国内外都在加强行车支持道路系统(AHS)、智能运输系统(ITS)和道路交通信息系统(VICS)等的开发与建设。
在这些新系统中,高灵敏度、高速响应微型磁传感器大有用武之地。
例如,用分辨率可达1nT的GMI和SI传感器,可构成ITS感器(作高速路上的道路标志,测车轮角度,货车近接距离),汽车通过记录仪(测通行方向、速度、车身长度、车种识别)、停车场成批车辆传感器、加速度传感器(测车辆通过时路桥的振动等)等。
在智能交通系统,如果你在公路上放置一个磁性传感器,任何一辆车在公路上开的时候,车走过的轨迹就能记录下来,从而可以控制高速公路的车流。
去年动车出事以后,国家交通部为防止类似事故的发生,设计了许多方案,其中一个很简单方案,就是在动车沿线每隔两公里铺一个磁性传感器,这是一个单独系统,所以当动车没电的时候信号就可以自动传到调度中心。
几个世纪以来,人们在导航中一直在使用磁罗盘。
电子磁罗盘(数字罗盘,电子指南针,数字指南针)是测量方位角(航向角)比较经济的一种电子仪器。
地球本身是一个大磁铁,地球表面的磁场大约为0.5Oe,地磁场平行地球表面并始终指向北方,利用GMR薄膜做成能够探测磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器,可作为罗盘并应用在各种交通工具上作为导航装置。
美国的NVE公司已经把GMR传感器用在车辆的交通控制系统上。
例如,放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通过传感器的车辆,如果同时分开放置两个GMR传感器,还可以探测出通过车辆的速度和车辆的长度,当然GMR也可用在公路的收费亭,从而实现收费的自动控制。
3.2在汽车中的应用无处不在磁性传感器在汽车工业中的应用尤其普遍,在汽车领域中有着许多重要应用,包括汽车安全、汽车舒适性、汽车节能降耗等。
光是在汽车车身应用领域,一辆车使用的磁性传感器与开关平均数量,就将从2008年的6.7颗,成大比特电子变压器论坛http:
/bbs.big-bit.com1182013.08磁性元件与电源长至2013年的9.4颗。
据介绍,汽车领域占据了磁传感应用市场大约70%以上的份额。
它在汽车中主要被用于车速、倾角、角度、距离、接近、位置等参数检测以及导航、定位等方面的应用,比如车速测量、踏板位置、变速箱位置、电机旋转、助力扭矩测量、曲轴位置、倾角测量、电子导航、防抱死检测、泊车定位、安全气囊与太阳能板中的缺陷检测、座椅位置记忆、改善导航系统的航向分辨率。
在节能降耗中,尤其是在制造商目前面临减少点滴碳排放或其它污染物压力的时候,这方面的一个重点领域是马达,马达正在从存在摩擦力的“一刻不停”的滑轮系统向电子马达转变,后者可以按需控制。
与此同时,电子马达向效率更高和更加可靠的有刷DC马达转变,而磁性传感器的应用能够让马达控制或换向更加精确。
此外,汽车防抱死刹车系统(ABS)中的基本轮转速感测、转向系统中的扭矩感测、电子线控节气门系统和电池监测、智能电扇等都有着磁性传感器的身影。
在混合动力电动汽车中,磁性传感器用于监控辅助电机逆变器。
逆变器用于把电池直流电转换成电机的交流电。
这种转换需要使用三个电流传感器,电机的每个相位都需要一个。
高级汽车需要使用霍尔IC和AMR传感器。
中低档轿车中有10多种电机,如风扇冷却、交流发电机以及风挡雨刷;豪华轿车拥有将近100个电机,其中包括用于空调送风机、电子转向与油门控制的传感器,用于自动化与新型双离合系统的传动传感器,以及用于座位位置调整、天窗、转速表、前灯位置调整、靠枕的传感器,甚至用于根据空气质量信息来控制进气风门。
3.3在医疗领域应用中发挥关键作用随着人口老龄化趋势的日渐明显,用以辅助健康和监护的医疗技术变得愈发重要。
医疗传感器的应用和推广大大降低了人工成本和错误的产生,同时也提高了自动化程度和精确度,这一切使得持续的监控和治疗成为可能。
磁性传感器在医疗领域中的应用,尽管规模要小于工业领域,但却能够在各种场合以各种方式辅助病人护理和监控:
救护车,医院和家庭护理等。
无论是在手术过程中,重症监护室,医院复健护理,还是在家庭护理方面,都提供了有效的方式以控制运动、气流、探测血压以及用药等挽救生命或者提高生命质量。
它主要用于换向传感器的医疗设备之中的电机控制,比如呼吸机、输液、胰岛素和肾脏透析机等方面的应用;电磁编码器霍尔传感器用于注射泵中检测流速以确定注射器是否为空和注射器是否堵塞的(应用于监测血液再造系统、自动血样分析系统)。
德国卡塞尔大学科学家研制的一种带磁场的微型传感器通过遥控牵引磁化纳米生物分子,可将血液中极少量的特定蛋白质分子检测出来,从而通过正常的血液分析取代脊髓液检查。
磁性传感器在医疗领域应用的另一个例子是用于准备样本的简单离心机,它用来帮助控制小型电机,使其变得更加安静和可靠。
在助听器领域,巨磁阻传感器IC(GMR)与霍尔及簧片开关竞争。
3.4在无线消费领域市场诱人随着消费电子在全球的风靡,磁性传感器在消费电子中的应用表现也十分强劲,丝毫不逊色。
例如手机、笔记本电脑、电子玩具、电子罗盘等中都有着非常广泛的应用。
MEMS传感器与磁传感器在应用中互相促进,这对于推动磁性传感器在消费电子市场的逐步增长起着一定贡献。
虽然磁阻传感器发展历程已经很漫长,技术相对成熟,但仅作为电子罗盘的单独应用,在以前并不被人们很看好,而现在它与MEMS的结合,会在导航市场成为一个亮点。
由于MEMS和磁阻传感器在功能上可以互相补充,它们的结合使导航产品更加精准。
如果把陀螺仪、加速度和磁传感器三种传感器集成在一起,三者在功能上互相辅助,则构成了功能更强大的惯性导航产品。
在多轴测量电子罗盘中,磁性传感器担当着重要部件的角色。
而目前具备GPS系统的手机与平板电脑都会采取多轴测量电子罗盘做为标配,这也让磁性传感器在无形之中搭上了消费电子的快车。
目前磁性传感器在消费电子中的应用,还让游戏控制器、笔记本、数码相机等具有了地理标签功能。
3.5在航空、航天、卫星通信及军事工业大显身手高灵敏度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。
大家知道,在军事工业中随着吸波技术的发展,军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽,但是它们无论如何都会产生磁场,因此通过GMR磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。
GMR磁场传感器可以应用在卫星上,用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。
电子罗盘在武器/导弹导航(航位推测),航海和航空的高性能导航设备中功不可没。
如果在水雷或地雷上安装磁性传感器,由于坦克或者军舰都是钢铁制造的,在它们接近(无大比特电子变压器论坛http:
/bbs.big-bit.com2013.08119磁性元件与电源须接触目标)时,传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸,提高了杀伤力。
美国海军于20世纪80年代初开始研制Terfenol-D水下声纳,由永磁体产生偏磁场,螺线管产生交流磁场,随着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去,利用水声传播特性对水中目标进行传感探测,用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇和其他水中目标,进行水声对抗,水下战术通信、导航和武器制导、保障舰艇、反潜飞机的战术机动和水中武器的使用等。
3.6在环境监测中的应用前景广阔环境保护的前提是对各个环境参数(温度、气压、大气成份、噪声.)的监测,这里需要使用多种大量的传感器。
采用强磁致伸缩非晶磁弹微型磁传感器和感应式磁传感器,可以同时测量真空或密闭空间的温度和气压,而且不用接插件,可以遥测和远距离访问
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