新一代磁傳感器在儀表中的應(yīng)用

寂靜天花板

磁傳感器是傳感器的重要分支之一，磁傳感器在信息產(chǎn)業(yè)、工業(yè)自動化、能源電力、交通運輸、電力電子技術(shù)、家用電器、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)得到了快速應(yīng)用和發(fā)展，特別是在測量和控制領(lǐng)域已經(jīng)越來越成為不可或缺的產(chǎn)品。近年來，在磁傳感器領(lǐng)域，出現(xiàn)了二類新的磁傳感器，即GMR巨磁阻磁傳感器和TMR隧道磁阻傳感器。
        磁傳感器技術(shù)發(fā)展的三個階段
! e$ V  f# M& F/ A2 x( e        從技術(shù)層面分析，磁傳感器發(fā)展之今，經(jīng)歷了三個階段。
        霍爾效應(yīng)（Ha l l）磁傳感器→各向異性磁阻（AMR）傳感器→巨磁阻（GMR）傳感器→隧道磁電阻（TMR）傳感器。
        霍爾傳感器：根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制造的一種磁傳感器。
/ c  ~1 j) j6 y6 B2 B- c3 ?        各項異性磁阻傳感器：與霍爾傳感器不同，是利用半導(dǎo)體物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)，根據(jù)材料的各項差異特性，利用各項異性磁電阻制成的磁傳感器。各項異性磁阻像其他電阻器一樣，是一種純電阻性的二端元件，特殊的也有三端和四端元件，還有磁阻集成電路，它的電阻值隨磁場的變化而變化。
        巨磁阻（GMR）傳感器：巨磁阻傳感器是根據(jù)“巨磁電阻”（Giant Magnet Resistance，GMR）效應(yīng)制成的磁傳感器。所謂“巨磁電阻”效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。
1 o; F6 F3 t4 H7 S        TMR隧道磁阻傳感器：利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進行感應(yīng)而制成的磁傳感器。
        新一代磁阻傳感器的應(yīng)用
6 w6 R+ U& N8 M2 ?# I! ]        巨磁阻（GMR）傳感器
        巨磁阻（GMR）傳感器是一類新興的高品質(zhì)磁傳感器。相對于霍爾器件和各向異性磁阻（AMR）器件，巨磁阻傳感器體積小、靈敏度高、速度快、抗輻射、能耗低，可軍民兩用，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括工業(yè)控制、移動通訊、信息存儲、醫(yī)療、交通以及導(dǎo)彈導(dǎo)航、航天和國防軍事等特殊領(lǐng)域。巨磁阻傳感器可在物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。比如對我國廣大海域的監(jiān)控就需要搭建由數(shù)以百萬計的高靈敏度磁傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以防止海下不明物如潛艇的侵入。
        巨磁阻傳感器芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化還可促進磁電信號隔離耦合器件、磁邏輯與隨機存儲器件（MRAM）等相關(guān)磁電子器件的研究和開發(fā)，這些磁電子器件可在未來形成年銷售額超過上千億美元的巨大市場。在2008年召開的第十三屆全國磁學(xué)和磁性材料會議上，磁電子材料和器件的研究被認為是事關(guān)中國能否趕上世界第四次科技浪潮的一個關(guān)鍵。盡快使集成巨磁阻傳感器產(chǎn)業(yè)化對支撐物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、增強國防安全、提升國家的整體科技水平、提高國際綜合競爭力，以及推進磁電子器件這一新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。
) a- f$ O- S  I6 A* c' C7 c        巨磁阻傳感器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用主要有兩種類型：巨磁阻磁場傳感器和巨磁阻電流傳感器。巨磁阻磁場傳感器測量磁場的強度，而巨磁阻電流傳感器通過測量電流產(chǎn)生的磁場測定電流的大小。
        巨磁阻磁場傳感器可作為核心敏感元件制成磁電編碼器、磁柵尺、位置傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、速度傳感器、流量傳感器，與波紋管相結(jié)合可以制成溫度傳感器和壓力傳感器。這些敏感器件可廣泛應(yīng)用于位置、速度、角度等工業(yè)控制領(lǐng)域之中。圖2是巨磁阻磁場傳感器在工業(yè)控制應(yīng)用中的一個實例。利用巨磁阻傳感器測量機械傳動的位置，從而利用其反饋控制伺服電機，以達到精確控制機械傳動的目的。
        巨磁阻電流傳感器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用包括： 電流測量與繼電保護；在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中，可以直接代替電流互感器； 在逆變器中，可用巨磁阻電流傳感器直接測量直流側(cè)和交流側(cè)的電流大小，保證逆變器的正常工作；在電子點焊機中，可利用巨磁阻電流傳感器電焊時的電流電壓、波形測量，利用其反饋可更好的控制點焊；在交流變頻調(diào)速電機中，利用巨磁阻電流傳感器作為反饋元件用于保護大功率晶體管；在電源和電能管理中，利用巨磁阻電流傳感器測量配電線路上的電流幅值變化，進行負載管理；利用巨磁阻電流傳感器，可以進行新型電流表和電功率表的開發(fā)；利用巨磁阻傳感器與電流輸入線圈相集成，可以制成電流隔離放大器，其頻率特性好、應(yīng)用范圍廣，可取代變壓器耦合放大器和光電耦合器件，隔離放大器在空間技術(shù)、計算機技術(shù)、醫(yī)療和儀器儀表中有十分重要的應(yīng)用。
        我國東方微磁科技有限公司，在巨磁阻傳感器的應(yīng)用研究方面已經(jīng)做了很多工作，結(jié)合多家應(yīng)用企業(yè)和單位的需求，已開發(fā)出用于工業(yè)控制的電機轉(zhuǎn)速傳感器、限位開關(guān)、齒輪測速傳感器、電流傳感器等相關(guān)產(chǎn)品。該公司開發(fā)的電機轉(zhuǎn)速傳感器，可應(yīng)用于紡織、機床、冶金、礦山機械等工況復(fù)雜的工業(yè)控制領(lǐng)域。目前，產(chǎn)品已經(jīng)進入推廣應(yīng)用階段。
        東方微磁科技有限公司設(shè)計研發(fā)的電流傳感器，有望成為霍爾式電流傳感器的替代產(chǎn)品。到目前為止，已研發(fā)出1A、5A、10A GMR電流傳感器產(chǎn)品應(yīng)用于客戶。
% X5 m5 g/ X* L- J6 s3 R        TMR隧道磁阻傳感器
        江蘇多維科技有限公司，利用TMR隧道磁電阻技術(shù)，開發(fā)出了多種磁傳感器，主要有開關(guān)傳感器、線性傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、磁圖像識別傳感器、TMR液位傳感器、TMR停車檢測模塊等。這些磁傳感器均采用先進的隧道磁電阻TMR技術(shù)，具有高靈敏度、低功耗（1.5μA）、工作范圍寬、良好的溫度穩(wěn)定性，小尺寸，適合批量生產(chǎn)等特點。在水表、煤氣表、熱量表、電子羅盤、電流表，位置、轉(zhuǎn)速檢測，磁卡讀頭，液位檢測，車輛管理等方面獲得成功應(yīng)用，潛在市場巨大，應(yīng)用前景看好。

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