在使用中增加，尺寸缩小的磁性传感器

磁传感器   　　磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。   　　磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中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，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。   　　磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。磁传感器分为三类：指南针、磁场感应器、位置传感器。指南针：地球会产生磁场，如果你能测地球表面磁场就可以做指南针。电流传感器：电流传感器也是磁场传感器。电流传感器可以用在家用电器、智能电网、电动车、风力发电等等。位置传感器： 如果一个磁体和磁传感器相互之间有位置变化，这个位置变化是线性的就是线性传感器，如果转动的就是转动传感器。   　　大生活中用到很多磁传感器，比如说指南针，电脑硬盘、家用电器等等。   　　在传统产业改造中的应用及市场   　　据报道，1995年仅工业过程控制传感器的全球市场已达到260亿美元;2001年计算机HDD用SV-GMR磁头的市场超过了4000亿日元（约合34亿美元）。若采用新型微型磁传感器，既使操作更简便，又提高了可靠性，增长了器件寿命，降低了成本。   　　使用新型磁传感器可以显着提高测量和控制精度，如使用GMI（巨磁阻抗）磁场传感器，检测分辨率和常用磁通门磁强计一样，而响应速度却快了一倍，消耗功率仅为后者的1%;若用霍尔器件，其分辨率仅4A/m，而所需外场比前者高300余倍;在应力检测中，SI 传感器的灵敏度是常用电阻丝的2000倍高，是半导体应变规的20～40倍。工业机床的油压或气压汽缸活塞位置检测，广泛采用套在活塞杆上的永磁环和AMR元件组成的磁传感器，检测精度达0.1mm，检测速度可在0～500mm/s内以高低速度变换;改用GMI或SV-GMR传感器后，测量精度至少可以提高1个数量级。在机床数控化时代，数字磁尺帮助设计师们实现了闭环控制。使用绝对信号输出的磁尺，则不受噪声、电源电压波动等干扰，也不必原点复位。使用工作状态磁敏开关，还可以完成手动与数控之间的转换。   　　旋转磁编码器在旋转量的检测控制中起关键作用，它在数控机床、机器人、工厂自动化设备的位置检测、传输速度控制，磁盘、打印机之类的自动化设备通讯设备的旋转量检测中都是不可缺少的重要部件。其检测对象是光磁图形，不受油雾粉尘的影响，因此比目前最先进的光编码器的可靠性高寿命长，尤其适合于自动焊接、油漆机器人和与钢铁有关的位置检测以及各种金属、木材、塑料等加工行业的应用。而仍大量使用光编码器，由于这种器件易受粉尘、油污和烟雾的影响，用在自动焊接、油漆机器人、纺织和钢铁、木料、塑料等的加工中，可靠性极差。应用AMR、GMR 、GMI敏感元件构成的旋转磁编码器，就不存在上述缺点，因此，它们的市场需求年增长率在30%以上。在家用电器和节能产品中也也有其广泛的应用潜力，在节能环保产品中也大有用武之地。若使用微型磁编码器和控制微机一体化，更有利于简化控制系统结构，减少元件数和占空体积，这在精密制造和加工业中意义十分重大。   　　在环境监测中的应用   　　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，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。在食品包装、环境科学实验等方面，应用前景广阔。   　　在交通管制中的应用   　　交通事故和交通阻塞是城市中和城市间交通存在的一个大问题。国内外都在加强高速公路行车支持道路系统（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传感器（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）。   　　磁传感器在电子罗盘中的应用   　　几个世纪以来，人们在导航中一直使用磁罗盘。有资料显示早在二千多年前中国人就开始使用天然磁石-一种磁铁矿来指示水平方向。电子罗盘（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。如今电子指南针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。   　　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薄膜可做成用来探测地磁场的传感器。图5显示这种传感器的具体工作原理。我们可以制出能够探测磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器。此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。另外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。当然，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。   　　门磁传感器在智能家居中的应用   　　在智能家居门禁系统中门磁开关的作用是负责门磁通电否，通电带磁（闭门），断电消磁（开门），门磁安装于门与门套上，开关安装于屋内，配合自动闭门器使用，一般可承受150公斤的拉力。   　　有线门磁为嵌入式安装更加隐蔽，感应门窗的开合，适用于木质或铝合金门窗发出有线常闭/常开开关信号。门磁是用来探测门、窗、抽屉等是否被非法打开或移动。它由无线发射器和磁块两部分组成。门磁系统其实和床磁等原理相同。

　　磁传感器通常用于汽车、工业和消费者应用中的速度、转速、线性位置、线性角度和位置测量。特别是，汽车行业已经成为全球磁场传感器、会计以及据估计的全球市场领导者，在整个磁场传感器市场中占据了超过40%的份额。增加对汽车安全功能的需求，为磁场传感器创造了机会，这些传感器被用于各种安全应用领域，如电子稳定控制系统（ESC）系统、方向盘角度传感、力和扭矩传感、防盗制动系统（ABS）等。

　　随着电子罗盘（或电子罗盘）的普及，电子罗盘（或电子罗盘）在消费电子产品市场上也有很高的增长速度，这主要是由于它们增强了消费者电子设备的用户导航体验。

　　根据市场研究公司iSuppli的数据，到2017年，硅磁传感器的全球收入将达到108亿美元，并以大约12%的复合年增长率（CAGR）运行。

　　在过去的二十年中，磁传感器的使用已经发展到基于霍尔效应和磁阻传感器的低成本和高质量。霍尔效应的解决方案之所以受欢迎，是因为它们在性能上优于电位器、簧片传感器和机械开关，这得益于它们的健壮性和消除机械磨损，这是一个常见的过早失败的原因。传感器具有固有的低滞后和高线性度，提高了测量精度。（当磁铁向磁场传感器靠近时，它的值就会变得足够高，从而使电路和输出被打开。当磁体从传感器移开时，磁场减弱，输出被关闭。当输出被打开时，当输出被关闭时，磁滞是微分。

　　微电子机械（MEMS）的磁场传感器是用来检测和测量磁场的小型设备。它们能检测到力的变化，从而使电压或谐振频率以电子方式测量，或者交替地用光学来测量机械位移。基于模因的磁场传感器可以靠近测量位置，从而实现更高的空间分辨率。一种基于记忆的磁强计可以与加速计结合在芯片上，进一步扩展其应用范围。磁力仪是用来测量像铁磁体这样的材料的磁化的仪器，或者测量强度，在某些情况下，磁场在某一特定点的方向。最后，由于构造MEMS磁场传感器不涉及磁性材料的微制造，因此可以降低传感器的成本。

　　根据手头的应用程序，磁传感器从合理到极端的灵敏度运行。磁感可以通过许多设备完成，包括AMR磁强计、GMR磁强计、Hall-Effect传感器、洛伦兹力的MEMS传感器、MEMS罗盘、磁场传感器等。

　　综上所述，这些先进技术在技术上和经济上都是可行的，开放了磁性传感器可以使用的设计的数量和类型。

　　现在让我们来看看设计工程师的一些具有代表性的磁性传感器。

　　霍尼韦尔HMC5983（图1）是一种温度补偿的三轴集成电路磁强计。这个表面安装，多芯片模块设计用于低磁场感应的应用，如汽车和个人导航，和车辆检测。HMC5983包括高分辨率HMC 118 x系列磁阻传感器和一个包含放大ASIC，自动消磁带司机，抵消取消，一个12位ADC，使1°2°罗盘航向精度。我²C或SPI串行总线允许简单的接口。

　　霍尼韦尔HMC5983的示意图。

　　图1:HMC5983的示意图。除了将所有可能含有黑色金属材料（镍等）的部件都保留在PCB两侧的传感器外，还建议在任何PCB层中/附近都没有导电铜。

　　HMC5983是基于霍尼韦尔的各向异性磁阻（AMR）技术，该技术被认为具有良好的线性度、低滞后、零输出、以及在温度上的比例系数稳定性，并且具有非常低的横轴灵敏度。传感器的构造是用来测量磁场方向和大小的。

　　3轴磁阻传感器和ASIC安装在3.0 x 3.0 x0.9 mm LCC表面安装包中，其小尺寸是高度集成产品的理想选择。从事高容量、成本敏感的OEM设计的工程师只需要添加一个微控制器接口和两个外部SMT电容器就可以实现一个解决方案。其他特点包括易于组装和与高速SMT装配的兼容性，温度补偿数据输出和温度输出，在广泛的温度范围内的自动灵敏度维护，以及补偿最大化传感器的全动态范围和分辨率的补偿。该设备与电池供电的应用程序兼容，并消除了其他磁传感器技术所必需的传感器校准。

　　对于需要打开/关闭或滑动检测的应用程序（例如：在移动电话中，ROHM为车轮钥匙和轨迹球提供磁开关大厅ICs和Hall ICs。ROHM的Hall-Effect传感器集成了霍尔元件，它发出的电信号作为霍尔元件检测到霍尔效应的磁场。它的全极性检测BU52051NVX Hall ICs是磁开关，可以操作S和n极，输出从高到低。功能包括低功耗操作（它使用间歇运行method-current消费高峰只有在感应操作和在所有其他的备用）和可在各种各样的超小型，薄圆片级，超小型晶圆级别，超薄轮廓，和小轮廓包，以及各种各样的电源电压，从1.8 V至5.0 V。应用程序包括手机、笔记本电脑、数码摄像机、数码相机、白色家电等等。

　　A1468三线真零速差动峰值检测传感器IC，由Allegro连续标定（图2），是一种针对数字环磁传感或与磁体结合的全效应传感器，用于三线应用的铁磁目标传感。集成电路集成了具有2.2毫米间距和信号处理的双效应元件，在响应由环形磁极所产生的差动磁信号时开关。该电路包含一个数字电路，它可以减少系统的偏移量，以校准空气-gap-独立的开关点的增益，并达到true-zero的速度操作。运行模式校准为环境效应提供了免疫，例如目标的微振动。

　　该装置据说是理想的以环磁速度、位置和计时应用程序（如汽车速度计）获得速度和责任循环信息（考虑到磁性传感器在极端条件下的操作能力，包括灰尘、油脂、污垢、湿度和振动，这是汽车应用程序的一个自然条件）。

　　虽然不能质疑的无触点式磁性位置传感器取得了巨大的成功，存在的问题和挑战，对杂散磁场磁传感器可以敏感，影响输出精度应该领域充分减少信噪比（信噪比）和淹没的目标产生的弱场磁体采用霍尔传感器配对。在发现高电磁干扰的应用中，如在电动汽车或工业环境中，这是一个真正的问题。幸运的是，有许多对策可用来抵消SNR问题。这些包括磁屏蔽（虽然这可能是昂贵的和空间消耗的），重新定位磁性传感器（也可能增加成本）和更高的集成电路（使设备不容易受到杂散磁场）。