磁性的魅力——带你认识AMR磁阻传感器

2016/09/12 08:00 - 2016/09/14 17:00

上海市上海跨国采购会展中心

不限参加人数

磁性的魅力——带你认识AMR磁阻传感器

2016/09/12 08:00 - 2016/09/14 17:00

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活动介绍

磁传感器是什么?


看上去神秘的“磁”,其实离我们并不遥远,时刻环绕着我们。因为,地球本身就可以看成一个天然的巨大磁体,叫做地磁场。如果把地磁场简化为一个条形磁铁的话,那么地磁南极实际是在地理北极附近,而地磁北极实际是在地理南极附近。这两个磁极的假设磁轴并不是和地球的自转轴是重合的,而是有大约成11.5度的倾斜角度。地磁场数值从0.4高斯到0.6高斯,其强度与方向也随地点而变化。


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地球磁场图示


所谓磁传感器,就是把磁场、放射线、压力、温度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号。现代工业和电子产品中应用中,磁传感器最广泛的是以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中,有许多不同类型的磁传感器,最常见的是采用霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)、巨磁电阻(Giant Magnetoresistance, GMR)、隧道磁阻传感器(Tunnel Magnetoresistance, TMR)为核心的传感器。今天我们来认识下AMR磁阻传感器。


什么是AMR磁阻传感器?


某些金属或半导体在遇到外加磁场时,其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化,这种现象叫做磁阻效应,电阻的变化量叫做磁阻。


1857年,Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的;但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移,薄膜电阻降低, 我们这种特性称为各向异性磁电阻效应(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,简称AMR)。磁场作用效果下图。

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磁阻变化值与角度变化的关系


薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化,电阻与磁场特性是非线性的,且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系。从上图中,我们可以看到,当电流方向与磁化方向平行时,传感器最敏感,在电流方向和磁化方向成45度角度时,一般磁阻工作于图中线性区附近,这样可以实现输出的线性特性。


AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb,电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时,两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动,这两个电阻的阻值会增加;而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动,该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号,可以得到外界磁场值。

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AMR磁阻传感器等效电路


AMR磁阻传感器如何“施展拳脚”?


各向异性磁阻传感器的测量范围正好是以地球磁场分布范围为中心,最适合工作在地球磁场环境下的磁传感器。其采用常见的坡莫合金,具有精度高,体积小,稳定性好等优点,且工艺上只需一层磁性薄膜,工艺简单,成本低,不需要昂贵的制造设备,适合批量生产和更迎合消费类电子市场的需求。


AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的磁场低于1高斯。传感器可用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括磁罗盘、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。


- 导航功能


磁传感器最初是利用其磁性来作为航海指南针。磁传感器和加速度计可以组成电子罗盘,是测量方位角比较经济的一种电子仪器。如今电子罗盘广泛应用于汽车和手持电子罗盘,手表,手机,对讲机,雷达探测器,望远镜,探星仪,穆斯林麦加探测器(穆斯林钟),手持 GPS 系统,寻路器,武器/导弹导航(航位推测),位置/方位系统,安全/定位设备,汽车、航海和航空的高性能导航设备,电子游戏机设备等需要方向或姿态显示的设备。


- 车辆管制功能


由于地球是个巨大的磁场,当车辆这类大磁体通过时,会引起地磁场局部的扰动。磁传感器可以探测到车辆的存在,行驶方向,行驶速度,车辆大小等。因此,地下车库可以计算剩余车位数量,可以监测道路车流量情况,为人们的出行提供道路和停车信息。在当前大力发展的“智慧城市”中,将会有很重要的作用!


- 地磁探测


各向异性磁阻传感器可以用来辨别埋藏物质的。磁阻传感器是利用薄膜合金遇到磁场会产生磁阻值变化的性质,当电桥遇到不同强度的磁场时会产生不同的电压输出,将磁性信号转变为电信号。面对密布于城市各个角落的地下管线错综复杂,在施工过程中经常出现打漏管线情况,进而造成漏水、漏气、停电等事故,该应用有现实意义。


AMR磁阻传感器舞台,谁与争锋?


据麦姆斯咨询报告数据显示,2013年,全球AMR磁阻传感器市场规模为3.9790亿美元,预计2018年将达到6.7523亿美元,五年的复合年增长率(CAGR)为11.16%。

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2013-2018年全球各向异性磁阻传感器市场规模(单位:US$ million)


中国大陆的美新半导体、矽睿科技及台湾爱盛科技已崭露头角,在国内外市场上均有优秀的表现。2016年9月12日,在上海跨国采购会展中心将上演『第十九届“微言大义”研讨会将以“磁传感器技术及应用”』(详情及报名:www.MEMSeminar.com),美新半导体、矽睿科技和爱盛科技齐聚一堂,奉献精彩演讲!


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