磁场传感器产业的发展

一个产品要被大量而长久的使用，必须有优良的性能/价格比。产品的性能稳定和成本下降，只有实现厂规模化的生产才能达到。要大量被采用，需要大量生产去保证供应，大量生产又可保证质量的稳定和成本下降，增强产品的竞争力，二者是相辅相成的。

综合起来，可以看出，要实现产业化的生产，首先必须有产业化的应用市场，同 时，传感器生产者应具有可满足市场需求的产品，而且，产品的性能/价格比必须能和相同的或具有同样功能参数的产品竞争。在分析国外磁场传感器的产业状况的 发现，国外生产磁场传感器的一些著名的企业，大都是知名大企业中的—‘个组成部份或和大的生产终端产品的企业有着紧密联系的企业。例如IBM、东芝、索 尼、松下、Siemens Akt、Honeywell、Akkegro等等.在这些企业中,起码有两点明显的优势：一是研制—生产—使用的紧密结合；另一个就是一旦要迅速扩大生产 时、可调动巨大的经济实力给予支持，使产品能占领市场。

从这些情况中可以看到，这些传感器生产厂是面向广阔的产业性应用市场，背靠实力强大的企业集团，可用它们的传感器产品去实现，丰富甚至形成终端产品的特色，而又从终端产品那里获得广阔的市场.

我国的传感器生产大都在中、小企业中进行，比较分散、且技术经济实力较弱。差不多是有了传感器产品之后再来寻找市场，一旦有厂大量的需求时，又无力迅速扩产，失去占领市场的良机.

在目前条件下，有远见、有实力的终端产品集团，可以从自身的利益出发，考虑去联合、重组、兼并、购买一些小企业，利用它们现有的力量并加以充实、和自己的产品一道去占领这些有吸引力的市场。

磁场传感器利用人工设置的永久磁体产生的磁场， 可作为许多种信息的载体。因此，探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

早先的磁场传感器，是伴随测磁仪器的进步而逐步发展的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电讯号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁场传感器。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量，转换成可与计算机兼容的讯号，作为它们的输入讯号，这就给磁场传感器的快速发展提供了机会，形成了相当可观的磁场传感器产业。

薄膜磁致电阻传感器

铁磁性物质在磁化过程中，它的电阻值沿磁化方向将增加，并达到饱和的现象称 为磁阻效应。薄膜磁阻元件是利用薄膜工艺和微细加工技术，将NiPe。NiCo合金用真空蒸镇或溯射工艺沉积到硅片或铁氧体基片上，通过微细加工技术制成 一定形状的磁咀图形，形成三端式、四端式以及多端式器件。BMber结构桥式电路磁阻元件具有灵敏度高、工作频率特性好、温度稳定性好、结构简单、体积小 等特点。可制成高密度磁咀磁头、磁性编码器、磁阻位移传感器、磁阻电流传感器等。

磁阻敏感器

物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。对于铁、钻、镍及其合金等强磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内磁化方向时，此类金属的电阻值将减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。

电涡流式传感器

近年来，国内外正发展—对建立在电涡流效应原理上的传感器，即电涡流式传感 器。这种传感器不但具有测量线性范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、不受油污等介质的影响等优点，而且又具有无损、非接触测量的特点，目前正广泛 地应用于工业各部门中的位移、尺寸、厚度、振动、转速h压力、电导率、温度、波面等测量，以及探测全属材料和加工件表面裂纹及缺陷。

磁性液体加速度传感器

磁性液体作为一种新型的纳米功能材料，一经问世便走到科学技术发展的前沿，目前科学家们已经将这种新型功能材料应用到广阔的领域中。以此为基础的磁性液体传感器技术也引起了国际技术领域广泛的关注。

磁性液体水平传感器

磁性液体传感器的研究与应用起源于美国。早在1983年美国新墨西哥州阿尔 帕克基应用技术公司就与美国空军签订了合同，美国新墨西哥州阿尔帕克基应用技术公司便开始研制基于磁性液体动力学原理（MHD）的主动式和被动式传感器。 磁性液体传感器应用领域很广，既可以应用到民用上，也可以应用到军工上，有其它传感器所代替不了的功能，正因如此，国外比较早的意识到开发磁性液体传感器 的意义，并且已开始了研究和生产，并将该种传感器应用到航空、航天、宇航站等尖端军事领域。美国、法国、德国、俄罗斯、日本和罗马尼亚等国家已开始利用磁 性液体来制作各种传感器。磁性液体水平传感器对控制机器人工作状态，使太阳能栅板保持朝向太阳，使抛物天线持续朝向通讯系统中的人造卫星等方面有着重要的 应用。目前国外已研制出单轴、双轴、三轴等类型的磁性液体水平传感器，而我国有关磁性液体传感器的研究尚处于实验和探索阶段。

gmr磁场传感器和光电等传感器相比，具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣环境等优点。这些都是现有传统传感器所不能相比的。另一方面，在制造成本上，gmr磁场传感器并不高于其它普通传感器，甚至大大低于某些传感器。

1、gmr磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统 　地球是一个大磁铁，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高级罗盘。当可以同时探测平面内磁场x和y方向分量的gmr磁场传感器固定在交通工具上，瞬间航向与地球北极的夹角可通过gmr传感器的x和y方向的电压相对改变而确定下来。这种传感器的具体工作原理。gmr磁场传感器随轮船的方向改变而改变其和地磁场的夹角，相对来说，也可以等效为地磁场的方向在改变。我们已研制出能够探测磁场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。我们知道，各种不同的车辆（物体）在外界都有其自身特征的磁场分布。通过用gmr弱场传感器可探测各种车辆的磁场分布进而确定该车辆的型号。利用gmr传感器不仅可探测静止车辆的状况进而用在交通灯处的交通控制和停车场处停车位置的监控，而且也可探测移动车辆的情况。具体来说，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。 　磁场传感器的导航原理

2、gmr磁场传感器可来探测dc、ac电流及用作隔离器和电子线路中的反馈系统（开关电源） 　众所周知，通电导线周围将产生磁场，其磁场的强弱与通电电流的大小成正比。若将gmr磁场传感器及环形软磁集磁通器放置在通电导线附近，则由gmr传感器的输出电压可以测量导线中通过的电流。我们已利用反铁磁耦合的feni/feco/cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，并研制出线性测量范围正负200oe的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10,000安培的直流和交流。有三种办法可用来探测电流：电阻短路的办法，其缺点在于引入一电压降和这种方法不能提供上下级的隔离。电流转换器则基于安培定理，但是其仅仅用来探测直流。gmr磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展，已把gmr薄膜传感器和集成线路板结合在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了灵敏度和降低了成本。另外电流探测原理，已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及高电流情况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级，在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号，因此上下级而不相互干扰。这种探测电流大小的隔离器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于开关电源，我们利用两次沉积自旋阀多层膜的办法，已研制出可探测微安级的交直流及探测磁场范围在正负20oe的gmr磁场传感器。并且与西班牙的一所大学合作，成功地把这种传感器用在开关电源线路中作为反馈系统，可改善其频率输出特性高达1mhz。至于在无刷直流电机的应用：大家知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来非常不好的影响，比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等。如果用gmr传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和可靠性都非常高。另外，这种无刷电机转矩-重量比较大，速度转矩特性的线性度比较好。给出了测量电流的原理图。

3、gmr传感器可用来测量微小的位移及其相关的应用 　磁场传感器来探测被测物体的位移的原理是通过利用一永磁铁作为参照物，参照物相对于磁传感器的运动可等效为磁敏器件在均匀梯度的磁场中的移动，因此磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。给出一圆柱磁钢及其周围的磁场分布。我们已研制出一种能同时探测x—y方向位移的磁场传感器。由于采用集成技术，可使该磁场传感器小型化，同时提高了精度。这种传感器已成功运用在机器人及机械手的控制系统，并使其智能化和拿取、放置物体。另外也使机器人具有识别物体的功能。这种位移传感器也可用在电梯及相应的升降系统作为控制系统。此外，可以用gmr位移传感器改造某些传统的工业仪表，扩大其应用范围。例如，浮子流量计是一种得到广泛应用的非电量仪表，如果改用磁性浮子和外配一个gmr磁位移传感器，就能制成一个有电压输出的数字型位移传感器。在汽车发动机中，为了实现电子点火，往往需要精密坚固的位移传感器来测量发动机主轴的准确转角，决定点火时间。以前多用霍尔元件，完全可以用gmr替代，从而提高工作温度范围和降低磁场触发磁场的强度。gmr位移传感器也可用在精密机床上来提高机械加工的精度。活塞在气缸中的运动情况也可以通过gmr位移传感器给探测出来。

4、gmr角度位移及角速度传感器和相关应用 　为了测量一物体的转动角度的大小，往往可以通过探测磁钢因转动而造成其磁场的方向相对于固定的gmr磁场传感器的改变，我们研制出的可探测平面内磁场方向和大小的gmr磁场传感器可以探测相对其转动的磁钢的转动角度。当一块磁铁固定在转动轮子的边沿而gmr磁场传感器固定在轮子的旁边并保持一定的距离时，参考磁铁随轮子而转动，每当轮子转动一圈，就会使产生一电压脉冲输出。角速度传感器的原理图。我们利用集成技术已研制出专用来测量角速度即转速的数字式自旋阀gmr磁传感器。该磁敏传感器可探测各种情况下的角速度。该类gmr磁场传感器可用在各种远程抄表系统，在这里包括了煤气、水、电表的数字式的处理。随着自动化水平的提高，对于数字式的各种仪表的需求量越来越大。我们已与辽宁万恒科技有限公司建立了联系。该公司需要大量数字式gmr磁传感器应用在远程抄表系统。在汽车（摩托）工业中，gmr磁场传感器可用在刹车系统（abs），通过探测角速度进而起到制动作用。不久我国将加入世贸组织（wto），因此汽车（摩托车）的防爆刹车系统的研制和利用的确是势在必行。至于电机马达行业，为了得到稳定转速的工作状态，转速的测量和控制需要用gmr传感器来测量角速度并通过反馈系统可得到稳定的角速度输出。同时，gmr角速度传感器也可用在洗衣机行业。随着机算机的存储密度的提高，对伺服系统的要求也在提高，对于磁盘转速的控制的精度也在提高，因此磁场角速度传感器将会应用在该领域。另外，利用gmr薄膜材料可研制出各种用途的磁性编码器。磁性编码器的优点在于不易受尘埃、结露、影响、对潮湿气体和污染不敏感，同时其结构简单紧凑，可高速运转，而且其响应速度快（纳秒级），体积比光学式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地集成，比用光学元件和半导体霍尔磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器件。由于磁性编码器具有上述诸多优点，因而近年来在高精度测量控制领域中的应用不断增加，其市场需求量每年以20-30%的速度增长。在高速度、高精度、小型化、集成化及长寿命的要求下，在激烈的市场竞争中，磁性编码器以其突出特点而独具优势，成为发展高技术的关键。

5、gmr医用及生物磁场传感器 　人体之中存在着各种形式的机械运动，它们是机体完成必要的生理功能的前提和保证，因此检测这些生物机械运动，无论对基础医学还是对临床医学来讲，都具有十分重要的意义。以前，由于必须利用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而局限在方面医学的发展。高灵敏度及集成化的gmr磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的非接触式的探测提供了方便，并推动其发展。下面介绍几种特殊在此方面的应用。磁性生物传感器的原理：首先各种各样的细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、dna可以用纳米级的磁性小颗粒来标记，也就是首先是这些被探测的对象磁性化，进而在用高灵敏度的gmr磁场传感器来探测它们的具体位置。这种也可用于医学及临床分析、dna分析、环境污染监测等领域。高灵敏度的gmr传感器也可用在用来脑电图、心机图等的高精度的仪器设备上，来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。利用gmr磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的方法，这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳现象，和诊断某些眼科疾病。

6、gmr磁敏传感器在磁性介质的探测和在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 　磁场传感器可以探测不同的磁性介质。在这种应用中，磁性介质携带着要被探测的信息。磁性介质是有非磁性的基体和磁性材料组成，磁性材料放置在基体内或基体的表面。当携带着信息的磁性介质扫过gmr磁场传感器时，则特有的信息被探测出来。传感器的输出依赖于磁性介质的性能、工作缝隙的距离和传感器的灵敏度。主要用在磁性墨迹的识别、磁性编码的读出、细小磁性微粒的探测、介质磁性签字的鉴别。

7、gmr磁敏加速度传感器 　加速度传感器是通过测量被加速运动物体的惯性力来确定加速度的测量装置。根据牛顿定律，被加速物体有一种惯性力，其大小等于它的质量和加速度的乘积，而其方向与加速度方向相反。由于这种惯性力的存在，使被加速系统中悬挂的弹性片发生弯曲，其弯曲量可由gmr磁敏器件进行测量，从而得到系统的加速度。

gmr磁场传感器由于其灵敏度高、热稳定性好、探测磁场范围宽而完全可取代霍尔及磁阻（amr）元件，进而广泛应用在信息、电机、电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。 　磁场传感器通过探测交直流磁场，交直流电流，位移及角速度等物理量而运用于信息、自动化控制及电力电子等行业。信息产业部“十五”规划和二00五年远景目标明确指出：“加入世贸（wto）后，对于我国基本上还是‘外壳产业’的信息产品制造业来说，将面临严峻的考验和挑战”。如何拥有自主知识产权，掌握核心技术是每个企业急需解决的问题。