磁鐵工廠(chǎng)告訴什么是磁傳感器?

1.什么是磁傳感器?

磁傳感器通常是指將磁場(chǎng)的大小和變化轉換成電信號。

磁場(chǎng)，以地球磁場(chǎng)(地磁)或磁石為例的磁場(chǎng)是我們熟悉但不可見(jiàn)的現象。將不可見(jiàn)的磁場(chǎng)轉化為電信號，以及轉化為可見(jiàn)效應的磁傳感器一直以來(lái)都是研究的主題。

從幾十年前使用電磁感應效應的傳感器，到如今涉及磁場(chǎng)電效應、磁阻效應、約瑟夫森效應和其他物理現象的應用。

2.典型磁傳感器及其應用

現在，利用各種物理效應的傳感器已經(jīng)商業(yè)化。以下，我們將重點(diǎn)介紹最常用的磁傳感器類(lèi)型及其應用。

MR 傳感器元件

MR傳感器元件是利用磁阻效應(MR效應)的磁傳感器元件。有許多使用不同工作原理的 MR 傳感器類(lèi)型。

MR效應是電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的現象。這種效應發(fā)生在磁性物料(例如鐵、鎳或鈷)中。

在理解MR 效應之前需要先了解電子自旋，以及洛倫茲力如何利用電子電荷起作用。

當電子在鐵磁物料(具有一定磁性的物料)中運動(dòng)時(shí)，電子的自旋發(fā)生波動(dòng)，(電子)在磁性物料中的散射概率就會(huì )上升或下降。這就是導致 MR 效應的原因。

電子有兩個(gè)重要參數：電荷和自旋。它們具有相同的負電荷，但電子自旋有兩種：向上自旋和向下自旋。1922年通過(guò)實(shí)驗驗證了電子自旋，并確認了電子具有電子角動(dòng)量和磁矩特征。

當電子通過(guò)導電物料時(shí)，它們會(huì )發(fā)生散射(電子散射)。電子散射是物料中的靜電導致電子偏離其正常軌跡的現象。

洛倫茲力是一種當導電物料中的移動(dòng)帶電粒子(電子)暴露于磁場(chǎng)時(shí)所起作用的力。它影響所有帶電粒子并且不依賴(lài)于電子自旋。

– AMR 傳感器元件

1856年，William Thomson通過(guò)觀(guān)察放置于外部磁場(chǎng)中的鐵磁物料，發(fā)現了各向異性磁阻效應(AMR效應)。

當鐵磁物料中的磁化方向與電流平行時(shí)，電子軌道就會(huì )垂直于電流，從而產(chǎn)生**電阻。這增加了依賴(lài)于自旋的散射，導致電阻上升。

當磁化方向垂直于電流時(shí)，電子軌道就會(huì )與電流平行，減少了依賴(lài)于自旋的散射，并產(chǎn)生最小電阻。

由磁場(chǎng)狀態(tài)引起的電阻變化率稱(chēng)為磁阻比率(MR比率)。AMR 傳感器元件的 MR 比率約為 5%。AMR傳感器元件由于結構簡(jiǎn)單，常用于磁性開(kāi)關(guān)和旋轉傳感器。

– TMR 傳感器元件

常溫下的隧道磁阻效應(TMR 效應)是日本東北大學(xué)Terunobu Miyazaki教授于 1995 年發(fā)現的。TMR 傳感器元件是利用 TMR 效應的磁傳感器元件，是由極薄的納米級非磁性絕緣層夾在兩個(gè)鐵磁層中間構成。電子隧道通過(guò)絕緣層從一個(gè)鐵磁層穿到另一個(gè)鐵磁層。這是一種量子力學(xué)現象。

當兩種鐵磁物料的磁化方向平行時(shí)電阻減小，不平行時(shí)電阻增大。

TMR 交界處的 MR 比率(電阻隨磁場(chǎng)狀態(tài)的變化率)在生產(chǎn)中可達到 100% 以上。在實(shí)驗室條件下，已達到 1,000% 以上的水平。

由于具有高靈敏度，TMR 傳感器元件非常適合用于硬盤(pán)磁頭或高靈敏度旋轉角度傳感器。

霍爾元件

霍爾元件是霍爾效應的一種應用。Edwin H. Hall于1879年發(fā)現的霍爾效應證明了洛倫茲力會(huì )產(chǎn)生與電流和磁場(chǎng)方向成直角的電壓。該電壓稱(chēng)為霍爾電壓，根據Fleming左手法則，電壓的方向隨磁通量的方向而變化。電壓的大小和方向(正、負)使得檢測磁場(chǎng)(N極、S極)的大小和方向成為可能。

霍爾元件的磁靈敏度不如磁阻傳感器元件。但作為不依賴(lài)于磁性物料的磁傳感器，可以在鐵磁場(chǎng)或惡劣環(huán)境下使用，因此可用作電流傳感器或各種磁性開(kāi)關(guān)。