前语
咱们巨大中华先人的四大发明之一——指南针，可谓是无人不知啊，关于现代传感器技能来讲，它可算得上是磁传感器的开山祖师了。
而在当今的电子时代，磁传感器在电机、电力电子技能、轿车工业、工业主动操控、机器人、办公主动化、家用电器及各种安全体系等方面都有着广泛的使用。
磁传感器
磁传感器是一种把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界要素引起的灵敏元件磁功能改动转换成电信号，以这种方法来检测相应物理量的器材。用于感测速度、运动和方向，使用范畴包含轿车、无线和消费电子、军事、动力、医疗和数据处理等。
磁传感器商场依照技能进步的开展，首要分为四大类：霍尔效应（Hall Effect）传感器、各向异性磁阻（AMR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器地道磁阻（TMR）传感器其间，霍尔效应传感器的前史最悠长，取得广泛使用。跟着继续的技能研制，各种磁传感器诞生，并具有更优异的功能、更高的可靠性。霍尔效应（Hall Effect）传感器1879年，美国物理学家霍尔在研讨金属导电机制时发现了霍尔效应。但因金属的霍尔效应很弱而一向没有实践使用事例，直到发现半导体的霍尔效应比金属强许多，使用这种现象才制作了霍尔元件。在半导体薄膜两头通以操控电流 I，并在薄膜的笔直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，半导体中的电子与空穴遭到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上集合，在集合起来的电子与空穴之间会发作电场，电场强度与洛伦兹力发作平衡之后，不再集合，这个现象叫做霍尔效应。在笔直于电流和磁场的方向上，将发作的内建电势差，称为霍尔电压U。霍尔电压U与半导体薄膜厚度d，电场B和电流I的联系为U=k(IB/d)。这儿k为霍尔系数，与半导体磁性资料有关。
霍尔效应示意图
霍尔传感器使用霍尔效应的原理制作，首要有霍尔线性传感器、霍尔开关和磁力计三种。1. 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟从器组成，它输出模拟量。输出电压与外加磁场强度呈线性联系，如下图所示，在B1～B2的磁感应强度规模内有较好的线性度，磁感应强度超出此规模时则出现饱和状况。
线性型霍尔传感器作业原理
霍尔线性器材具有很宽的磁场量测规模，并能辨认磁极。其使用范畴有电力机车、地下铁道、无轨电车、铁路等，还可用于变频器中用于监控电量、光伏直流柜监测光伏汇流箱实时输出电流的效果、电动机维护等。 线性霍尔传感器还能够用于丈量方位和位移，霍尔传感器可用于液位勘探、水流勘探等。2. 开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
开关型霍尔传感器作业原理
霍尔开关器材无触点、无磨损、输出波形明晰、无颤动、无回跳、方位重复精度高，作业温度规模宽，可达-55℃～150℃。开关型霍尔传感经过一次磁场强度的改动，则完成了一次开关动作，输出数字信号，能够核算轿车或机器转速、ABS体系中的速度传感器、轿车速度表和里程表、机车的主动门开关、无刷直流电动机、轿车焚烧体系、门禁和防盗报警器、主动贩卖机、打印机等。3. 磁力计
是使用霍尔效应发作的电势差来测算外界磁场的巨细和极性。磁力计是选用CMOS工艺的平面器材。工艺相对一般IC更为简略，一般选用P型衬底上N阱上构成传感器材，经过金属电极将传感器与其他电路（如放大器、调理处理器等）相连。
但这样规划的的霍尔传感器只能感知笔直于管芯外表的的磁场改动，因而添加了磁通集中器（magneTIc flux concentrator），工艺上来讲便是做本来的管芯上添加一层坡莫合金，可勘探平行于管芯方向的磁场。由此，霍尔传感器完成了从单轴到三轴磁力计的跨越式开展。
图（a）添加磁通集中器的霍尔传感器的顶视图
图（b）添加磁通集中器的霍尔传感器的剖面图磁力计广泛使用于智能手机、平板电脑和导航设备等移动终端，具有巨大的商场前景。一起，磁力计能够与加速度计组成6轴电子罗盘，三种惯性传感器（加上陀螺仪）组合在一起还能完成9轴组合传感器，构成更强壮的惯性导航产品。各向异性磁阻（AMR）传感器某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会跟着外加磁场的巨细发作改动，这种现象叫做磁阻效应，磁阻传感器使用磁阻效应制成。
1857年，Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。关于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的改动是与磁场和电流间夹角有关的。咱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, 电阻是不会跟着外加磁场改动而发作改动的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有必定视点的时分, 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻下降, 咱们对这种特性称为各向异性磁电阻效应（Anisotropic MagnetoresisTIve Sensor,简称AMR）。磁场效果效果下图。
坡莫合金的AMR效应
磁阻改动值与视点改动的联系
薄膜合金的电阻R就会因视点改动而改动，电阻与磁场特性对错线性的，且每一个电阻并不与仅有的外加磁场值成对应联系。从上图中，咱们能够看到，当电流方向与磁化方向平行时，传感器最灵敏，在电流方向和磁化方向成45度视点时，一般磁阻作业于图中线性区邻近，这样能够完成输出的线性特性。AMR磁传感器的底子结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其间供电电源为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滚动，这两个电阻的阻值会添加；而别的两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向滚动，该两个电阻的阻值则削减。经过测验电桥的两输出端输出差电压信号，能够得到外界磁场值。
AMR磁阻传感器等效电路
各向异性磁阻（AMR）技能的优势有以下几点：1. 各向异性磁阻（AMR）技能最优良功能的磁场规模是以地球磁场为中心，关于以地球磁场作为底子操作空间的传感器使用来说，具有广阔的运作空间，无需像霍耳元件那样添加聚磁等辅佐手法。2. 各向异性磁阻（AMR）技能是仅有被验证，能够到达在地球磁场中丈量方向精确度为一度的半导体工艺技能。其他可到达相同精度技能都是无法与半导体集成的工艺。因而，AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上并供给满足的精确度。3. AMR技能只需一层磁性薄膜，工艺简略，本钱低，不需要贵重的制作设备，具有本钱优势。4. AMR技能具有高频、低噪和高信噪比特性，在各种使用中尚无局限性。AMR磁阻传感器能够很好地感测地磁场规模内的弱磁场丈量，制成各种位移、视点、转速传感器，各种挨近开关，阻隔开关，用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、轿车。其它使用包含各种导航体系中的罗盘，核算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机、旋转方位传感、电流传感、钻井定向、线方位丈量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨道盯梢。巨磁阻（GMR）传感器 与霍尔（Hall）传感器和各向异性磁阻（AMR）传感器比较，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）传感器要年青的多！这是因为GMR效应的发现比霍尔效应和AMR效应晚了100多年。1988年，德国科学家格林贝格尔发现了一特别现象：非常微小的磁性改动就能导致磁性资料发作非常显着的电阻改动。一起，法国科学家费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，弱小的磁场改动能够导致电阻巨细的急剧改动，其改动的起伏比一般高十几倍。费尔和格林贝格尔也因发现巨磁阻效应而一起取得2007年诺贝尔物理学奖。一般的磁铁金属，在加磁场和不加磁场下电阻率的改动为1%~3%，但铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属构成的多层膜，在室温下能够到达25%，低温下愈加显着，这也是巨磁阻效应的命名缘由。
GMR和AMR在外加磁场下电阻率改动示意图
“巨”（giant）来描绘此类磁电阻效应，并非仅来自表观特性，还因为其构成机理不同。惯例磁电阻源于磁场对电子运动的直接效果，呈各向异性磁阻，即电阻与磁化强度和电流的相对取向有关。相反，GMR磁阻呈各向同性，与磁化强度和电流的相对取向底子无关。
巨磁阻效应仅依赖于相邻磁层的磁矩的相对取向，外磁场的作业仅仅为了改动相邻铁磁层的磁矩的相对取向。除此以外，GMR效应更重要的含义是为进一步探究新物理——比方隧穿磁阻效应（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋电子学（Spintronics）以及新的传感器技能奠定了根底。
GMR效应的初次商业化使用是1997年，由IBM公司投放商场的硬盘数据读取探头。到目前为止，巨磁阻技能已经成为全世界简直一切电脑、数码相机、MP3播放器的规范技能。 GMR传感器的资料结构具有GMR效应的资料首要有多层膜、颗粒膜、纳米颗粒合金薄膜、磁性地道结合氧化物、超巨磁电阻薄膜等五种资料。其间自旋阀型多层膜的结构在其时的GMR磁阻传感器中使用比较广泛。自旋阀首要有自在层（磁性资料FM），阻隔层（非磁性资料NM），钉扎层（磁性资料FM）和反铁磁层（AF）四层结构。
自旋阀GMR磁阻传感器底子结构
GMR磁阻传感器由四个巨磁电阻构成惠斯通电桥结构，该结构能够削减外界环境对传感器输出安稳性的影响，添加传感器灵敏度。当相邻磁性层磁矩平行散布，两个FM/NM界面出现不同的阻态，一个界面为高阻态，一个界面为低阻态，自旋的传导电子能够在晶体内自在移动，全体上器材出现低阻态；而当相邻磁性层磁矩反平行散布，两种自旋状况的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后，遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层，并在那里遭到激烈的散射效果，没有哪种自旋状况的电子能够穿越FM/NM界面，器材出现高阻态。
平行磁场和反平行磁场效果下的等效电路图
GMR磁阻传感器商业化时刻晚于霍尔传感器和AMR磁阻传感器，制作工艺相对杂乱，生产本钱也较高。但其具有灵敏度高、能勘探到弱磁场且信号好，温度对器材功能影响小等长处，因而商场占有率呈安稳状况。GMR磁阻传感器在消费电子、工业、国防军事及医疗生物方面均有所触及。地道磁阻（TMR）传感器
早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性地道结（MagneTIcTunnelJuncTIons，MTJs）中观察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效应。可是，这一发现其时并没有引起人们的注重。在尔后的十几年里，有关TMR效应的研讨进展非常缓慢。在GMR效应的深入研讨下，同为磁电子学的TMR效应才开端得到注重。2000年，MgO作为地道绝缘层的发现为TMR磁阻传感器的开展关键。
2001年，Butler和Mathon各自做出理论猜测：以铁为铁磁体和MgO作为绝缘体，地道磁电阻率改动能够到达百分之几千。同年，Bowen等初次用试验证明了磁性地道结（Fe/MgO/FeCo）的TMR效应。2008年，日本东北大学的S. Ikeda, H. Ohno团队试验发现磁性地道结CoFeB/MgO/CoFeB的电阻率改动在室温下到达604%，在4.2K温度下将超越1100%。TMR效应具有如此大的电阻率改动，因而业界越来越注重TMR效应的研讨和商业产品开发。
TMR元件在近年才开端工业使用的新式磁电阻效应传感器，其使用磁性多层膜资料的地道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实践使用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻改动率。咱们一般也用磁地道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）来代指TMR元件，MTJ元件具有更好的温度安稳性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，相关于霍尔元件不需要额定的聚磁环结构，相关于AMR元件不需要额定的set/reset线圈结构。 TMR磁阻传感器的资料结构及原理
从经典物理学观念看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构底子无法完成电子在磁层中的穿通，而量子力学却能够完美解说这一现象。当两层铁磁层的磁化方向相互平行，大都自旋子带的电子将进入另一磁性层中大都自旋子带的空态，少量自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少量自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此刻器材为低阻状况；
当两层的磁铁层的磁化方向反平行，状况则刚好相反，即大都自旋子带的电子将进入另一磁性层中少量自旋子带的空态，而少量自旋子带的电子也进入另一磁性层中大都自旋子带的空态，此刻隧穿电流较小，器材为高阻状况。
能够看出，地道电流和地道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当磁化方向发作改动时，隧穿电阻发作改动，因而称为地道磁电阻效应。
TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型
TMR元件在近年才开端工业使用的新式磁电阻效应传感器，其使用磁性多层膜资料的地道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实践使用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻改动率。咱们一般也用磁地道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）来代指TMR元件，MTJ元件具有更好的温度安稳性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，相关于霍尔元件不需要额定的聚磁环结构，相关于AMR元件不需要额定的set/reset线圈结构。下表是霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技能参数比照，能够更清楚直观的看到各种技能的好坏。
霍尔元件、AMR元件、GMR元件以及TMR元件的技能参数比照
作为GMR元件的下一代技能，TMR（MTJ）元件已彻底替代GMR元件，被广泛使用于硬盘磁头范畴。信任TMR磁传感技能将在工业、生物传感、磁性随机存储（Magnetic Random Access Memory，MRAM）等范畴有极大的开展与奉献。磁传感器的开展,在本世纪70～80 时代构成高潮。90 时代是已开展起来的这些磁传感器的老练和完善的时期。
磁传感器的使用非常广泛，已在国民经济、国防建设、科学技能、医疗卫生等范畴都发挥着重要效果，成为现代传感器工业的一个首要分支。在传统工业使用和改造、资源探查及综合使用、环境维护、生物工程、交通智能化控制等各个方面，它们发挥着愈来愈重要的效果。
