磁敏传感器产业的现状和发展趋势

磁敏传感器产业的现状和发展趋势懒一.述：I的磁的发展趋势。关键词：磁敏传感器磁场检测产业性应用1概述磁敏传感器是将磁场信息转换成各种有用信号的装置。它是各种测磁仪器的核心。为了检测并利用磁砀，人们研制了各种测磁仪器。到目前为止，已形成了十多种常用的测磁方法，研制和生产出了几十个大类上百种测磁仪器，文献l-i]给出了这些测磁方法和仪器的种类和主要技术指标。蕾t恃■■叵圜1一般洲磁由L器的组成方块圜如图1所示，一般的测磁仪器都是由磁敏元件、转换器(由此组成传感器)、信号处理电路和读出电路组成。仪器的基本性能(例如灵敏度、动态范围、精确度)，主要由它的传感器来决定。信号处理电路可以提供放大、转换(例如F／V、A／D等转换)、补偿、校正等功能。因此，我们认为，测磁仪器所具备的技术指标和技术水平反映了当代传感器的主要性能和水平。随着磁性材料的发展，人们利用各种磁性材料来作信息载体，例如计算机信息存储、音像信息的记录各种物体运动信息，包括位置、位移、速度、转速等等，都可以借助磁性体来作载体。因而需要大量的、各种各样的磁的读出、写入和传感装置。从而促使磁敏传感器逐渐地和测磁仪器分离，形成了独立的磁敏传感器产品。近三十年来，磁敏传感器产业发展迅猛。现在，垂可以说“任何一台计算机、一辆汽车、一家工厂离开磁敏传感器就不能够正常工作”“。同时，磁敏传感器已深入到人们的日常生活，许多家用电器，例如收录机、电视录像机、空调机、洗衣机等，都大量地使用着磁敏传感器。2磁敏传感器的特点和磁敏传感器产业的发展现状信息产业或过程控制等产业性应用，要求检测的磁场范围一般在10nT~IT范围，而且要求磁敏传感器结构精巧坚固、体积小、重量轻、功耗低，和外电路接口方便，能在恶劣的环境下(例如强震、多尘、高温，甚至有油污或一定的腐蚀性气氛，例如盐雾中)工作，并可抗电磁干扰。还有一个严酷的要求，就是价格低，即高的性能价格比。在这些要求之下，迅速实现了产业化的磁敏传感器，主要有：2．1霍尔器件霍尔器件分霍尔元件和霍尔电路两个大类，它以霍尔效应为工作基础，可检测10T～10T的磁场。Insb霍尔元件灵敏度最高但温度稳定性较差，GaAs霍尔元件温度性能最好但价格最高。InAsP是性能和价格都较适中的霍尔元件。硅霍尔集成电路因可将霍尔元件及信号处理电路集成在同一个芯片上，且适于和各种逻辑电路直接接口，使用十分方便，因而发展了许多种数字输出的霍尔功能电路。国内外市售霍尔电路有约300个品种，有单极开关、双极开关、锁定开关、差动开关、功率开关、无刷电机驱动电路、多路双线霍尔集成电路等多种类型，还·28·维普资讯有线性输出电路等。目前，全世界对霍尔器件的年需求量在1O亿只以上，已在无刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关，汽车的安全装置ABS(防抱死制动系统)，汽车发动机点火定时，电流电压传感器等上得到了广泛的应用。其特点是无触点传感，可靠性高，用以检测电流电压，不要接入主电路即可进行。无位(Potential—free)检测，无插入损耗，且实现输入和输出信号的完全隔离，无过载损坏等等。目前国外已有几十家大公司将霍尔传感器列为自己的重要产品。例如美国的霍尼威尔、奥立格罗(原称史普拉格)、德克萨斯仪器公司，德国的西门子，13本的橙下、索尼、三洋等等。13本的旭化成电子的年产量就在5亿只以上。近年来，东欧各国如保加利亚、波兰、捷克和独联体的一些主要国家都在竞相发展。我国研制和生产霍尔器件的单位也很多，有沈阳仪器仪表工艺研究所、北京701厂、合肥半导体厂、南京中旭微电子有限公司等。南京中旭微电子有限公司的年产量可达三千万只，并大量出口，为我国最大的霍尔器件生产厂。霍尔器件的产品，倒如霍尔接近开关、霍尔位移传感器、霍尔翼片开关、霍尔电流电压传感器等，已作为独立的产品门类大量进入市场。霍尔翼片开关已在汽车点火器上得到大量应用，它以无触点、点火正时性好而受到汽车制造商的青睐，许多名牌汽车都已采用。霍尔电流电压传感器大量在交流变频技术、电机调速、电机电器过载保护、电焊、电气机车、特种电源(如开关电源、逆变电源UPS等)、能源管理、节能等方面发挥重要作用，国内外生产的厂家也很多。我国南京中旭微电子有限公司、北京莱姆、霍尼威尔中国公司等约10家厂商有系列产品售出。从毫安到兆安，都能选到合用的产品。市售InSb、lnAs霍尔元件都已实现薄膜化大量生产。目前InSb的实验室样品可测到10。T的弱磁场。用无掩模离子注入工艺制作的GaAs霍尔元件的作用区宽度可以小到o．25gin，GaAs霍尔电路早已研制成功。霍尔·29·Ic大都用半导体双极工艺制作，近来已有ITT公司等用CMOS工艺大量生产的商品化霍尔电路。一般的霍尔器件都只对垂直于芯片表面的磁场敏感，叫作平面霍尔器件，为实现对磁场矢量的测试和传感，国内外许多高校、研究所和厂商都在研制对平行于芯片表面的磁场敏感的垂直霍尔器件，并在此基础上研制出了集成的磁罗盘和三维霍尔磁敏传感器。磁罗盘可以检测二维磁场的大小和方向，可用在各种航行器上作导航装置；三维磁敏传感器可测空间任意一点的磁场的三维分量及该磁场的矢量方向。而确定该点上的磁感应强度的绝对值，在磁性材料及测磁仪器的研究、地磁场图的精确绘制、地质勘探、航海、航空、航天等方面都有十分重要的用途。除了发展品种外，霍尔电路的性能改进也取得了极大的进展。采用四个霍尔元件相互并联并两两正交放置，可降低不等位电势；在N型半导体霍尔元件的硅表面和二氧化硅层之间再做一层浅P型掩蔽层，以去除二氧化硅界面可动电荷的影响，在稳定霍尔元件的灵敏度、改善线性度以及降低不等位电势等方面收到良好的效果。这些措施都已在生产中得到应用在霍尔电路中加入过流保护电路和结温过热关断电路以及温度补偿电路等，使霍尔电路的工作温度达到15O℃，并承受短时180℃的高温冲击，使霍尔电路在引擎点火定时和ABS中能可靠地使用，并可用于大功率直流无刷电机中(如输出功率达300kW的大电机)。为了进一步改善霍尔元件的性能，许多学者在研究利用11／V族化合物半导体超晶格异质结构中的二维电子气来作霍尔元件的作用区，利用这类材料的相对高的电子迁移率、低的表面电子浓度以及相对宽的禁带宽度，既获得较高的灵敏度，又得到低的温度系数和噪声。中国科学院半导体所已研制成功这种材料。2．2探测线圈利用电感线圈做成的磁敏传感器可检测从1O。T的弱磁场直到1O‘T以上的强磁场，它呋量用作磁记录装置的读写头。电维普资讯感线圈磁头的需求萤仅次于霍尔器件而在磁敏传感器中居第二位。现今信息产业中的各种磁记录装置的读写，感应磁头仍是主流产品。日本的米兹米等公司还在大量生产。而且感应式磁头已可用微细加工技术作成薄膜式磁头不过，感应磁头固其自身的一些固有缺点，如信号幅度随磁记录装置的运动速度而变等，随着记录密度的提高，它会逐渐被新的读出装置，例如磁敏电阻头等取代。除磁头外，磁感应线圈的用途仍然很广。如将探测线圈装在停车场的路面上来作交通管制，用作ABS中的车轮速度检测等，不过随着新磁敏器件的出现，电感线圈的产业性应用将在竞争中接受严峻的考验。2．3磁敏电阻磁敏电阻分成两个大类：半导体磁敏电阻和强磁合金薄膜磁敏电阻。半导体磁敏电阻利用在磁场中的载流半导体内的载流子在罗仑兹力的作用下发生偏转，使载流子漂移路径增长从而使电阻增加的磁敏电阻效应。它对于垂直于芯片表面的磁场敏感。目前已有许多国家生产出用InSb薄膜和InSb—NiSb共晶制成的半导体磁敏电阻，在0．3T以上的磁场下，有很高的电阻相对变化率。InSb薄膜磁敏电阻的R(B)／RO可达3以上。InSb—Nisb磁敏电阻的R(B)／RO也可达到此值R(B)为磁场作用下的电阻值，RO为未加电场时的电阻值。InSb薄膜磁阻的初始电阻的典型值可为500ft，用它来制作无触电点电位器可以获得相当高的精度，而且具有无触点、无动噪声、旋转力矩小、分辨率高、高频性能好等特点。半导体磁敏电阻可用来作旋转传感器，精密小角度及角位移传感器、压力传感器、图形识别传感器等。目前日本、德国和国内都有批量供应。强磁台金薄膜磁敏电阻利用3D过渡合金在磁场中电阻率的各向异性，其灵敏度极高，可测10T的弱磁场(已有可测到1O。T的实验室样品的报导)。其工作频率很高，可达100MHz以上，有二端、三端、四端等结构形式的产品。它对平行于芯片表面的磁场敏感，尺寸可做得很小，可用以检测磁泡磁畴的场强及其·30·分布，是用来检测弱磁场的产业化磁敏传感器之一。它主要可做成磁旋转编码器在电机和电气传动装置中使用。据日本JEE杂志报导，1990年日本磁旋转编码器的销售额已达250亿日元。磁旋转编码器是光编码器有力的竞争对手。强磁合金膜磁阻现已有集成开关器件生产销售，这类器件的灵敏度高，在2．5mT的磁通密度下就可实现开关功能。金属薄膜磁敏电阻已有三维功能装置上市。这种装置可测空间磁场绝对值，数字输出，可和计算机直接接口，是一种灵巧型装置。可在磁罗盘、位置检测中作方向传感；作汽车、火车、飞机等运载工具的检测{在过程控制中作铁磁物体的检测以及在虚拟现实系统中跟踪运动物体，等等。金属薄膜磁敏电阻的另一个产业性应用，是用作高密度磁记录装置的读出磁头。近来，IBM、日立等外国公司已经制成双元件磁敏电阻头，采用薄膜介质，使记录面密度达每平方英寸2GB，已经达到甚至超过光存储系统，成了光记录装置的竞争者。2．4韦甘蔼器件由坡奠合金丝、维卡合金丝或非晶磁致伸缩薄带制作。它们利用韦甘德效应来进行工作，结构十分简单，可在一196U～+300'C的温度范围内稳定地工作。最近几年已进入实用阶段，国外早已有多家厂商批萤生产，国内也已有年产百万只以上的生产能力。韦甘德器件可用来制作磁脉冲发生器，并可用于汽车分电器点火器、旋转编码器、磁卡读出器、无触点开关等，是磁敏传感器产业中又一支重要力量。2．5磁通门磁强计(Fluxgatemagnetmeter)在弱磁场的检测中，磁通门磁强计是最重要的磁敏传感器之一。除在鱼雷f爆、探潜等军事方面应用之外，还在地磁测萤、探矿、材料无损探伤、考古、岩石磁性测量、机场和地面交通管理等方面大量应用。而且还大萤用于火箭、导弹、卫星、飞船上，测萤高空地磁场和行星星际磁场，并可和其它仪器配合，测萤和控制飞行体的姿态。近年来，还用它来辨认磁性墨水记录的帐册、读出磁卡信息等。维普资讯磁通门磁强计由探头和主机两部分组成，前者即磁敏传感器，后者是信号读出装置。它比霍尔器件和磁阻器件的灵敏度高约两个数量级；和感应线圈比，可测绝对磁场；和磁共振测磁比，可测场的方向，且长期稳定，比光纤磁传感器更灵敏，且振动稳定性和热稳定性更好；比SQUID便宜，并可在常温下工作，不需要液氦等等。它的测量范围为1o。～10T，分辨力可达l0T，噪声电平极低且没有任何偏离(Of-set)。是既能测量磁场量值，又能测量磁场方向，还可测量磁场梯度的一种磁传感装置。优异的性能和用途的广泛，迫切地要求磁通门实现产业化。为此，许多学者正致力于研究磁通门探头的微型化。1990年Seit~口提出用平面微加工技术来制作平面磁芯和检测线圈，将探头尺寸缩小到2×4mm。但仍需外接激励线圈。1993年，由KaWahito[】等提出了另一种用微机械加工的方法制作的磁通门探头。在硅衬底上腐蚀出深槽，在槽底制作许多等距金属斜条，经绝缘后，在槽内用选择电镀的方法做上多层磁芯。在磁芯上做上绝缘层后再做一层与底层节距相等的斜条，将两层斜条端部连接，形成线圈。用这种方法，可将激励线圈和检测线圈同时制出。使探头尺寸缩小到0．13×4mm。更重要的是用这种方法，可在一个基片上同时制作许多探头，实现批量生产。尽管在制作上还有一些地方需要改进，这一进展可使磁通门探头实现微型化。而且它预示了，可用MEMS的方法，来使磁通门探头的生产实现产业化。使人们看到，一种已经发展得很成熟的弱磁场磁敏传感器，将以新的面貌出现在磁敏传感器产业中。2．6