微型磁传感器及应用市场
                         Micromagnetic Sensors and Its Application 

1 磁传感器及其发展
    磁传感器，就是把磁场、电流、应力应变、温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。其实出特点是可以非接触测量，检测信号几乎不受被测物的影响，耐污染、噪声强，即使在很恶劣的环境条件下也能够可靠地工作，坚固耐用，寿命长。正因为如此，从国防、航空航天到国民经济各个部门，从医疗卫生到人类日常生活的诸多方面，都用到了这种传感器。
    磁传感器以利用磁铁的指南性作指南针航海为开端。其后，作为感知磁场和磁通的元器件，相继开发出探测线圈，磁通门磁强计，半导体霍尔元件和磁电阻元件，铁磁薄膜各向异性磁电阻（AMR）元器件，还有使用块状铁氧体磁芯的应力传感器，使用热敏铁氧体磁芯的温度传感器，利用亚铁磁石榴石磁光效应的光纤电流传感器，高灵敏度超导量子干涉器件（SQUID），等等。总之，磁传感器的种类甚多，更新换代频繁。
    磁传感器通常都是组装在机器、设备内部来使用的。现代整机正迅速向小型轻便、多功能、智能化方向发展，要求所用传感器即使对微小空间内物理量的变化也能够高灵敏度、高速度地做出响应。即在传感器本身需要小型轻量化的同时，还迫切希望提高其工作速度、检测分辨率和灵敏度。
半导体大规模集成电路制造技术、微电子机械系统（MEMS）制造技术、微组装技术的推广应用，磁性薄膜、非晶、多层膜、纳米磁性丝等新材料和平面线圈微磁器件制造工艺及表征手段的不断进步，为磁传感器的小型化、微型化奠定了可靠的基础，应用各种新效应的许多新型高性能、小型化及微型化磁传感器正不断投放市场。早期上市的AMR薄膜敏感元件和传感器，新近推出的GMI传感器、SI传感器、SV-GMR传感器，和即将实用化的薄膜磁通门磁强计、无线磁弹微型传感器阵列，就是其中的典型代表。下面，简单介绍几种微型磁传感器的工作原理、基本结构及主要技术性能。
2 新式微型磁传感器
2.1 高灵敏度GMI和SI微型磁传感器
    GMI磁传感器由低磁致伸缩材料和CMOS集成电路构成，利用磁性材料的巨磁阻抗（GMI）效应工作。所谓GMI效应，就是给低磁致伸缩非晶丝或者图形化薄膜元件加上高频（>10kHz）电流时，受外部磁场的作用，敏感元件的磁导率和趋肤效应就随磁场变化，结果，电感和电阻即阻抗发生急剧变化的现象。1992年，名古屋大学教授毛利佳年雄等人最先报导了这一新效应[1]。他们在研究中发现，用快淬富钴非晶丝，经过适当处理后，其阻抗变化率（△Z/Z）可达100～300%。近来，V·Zhukova等人报告，用成分为Co67 Fe3.85Ni1.45B11.5Si14.5Mo1.7的非晶细丝，在最佳条件（金属核直径/丝总直径ρ=0.98，在频率f=10MHz，通过电流I=0.75mA）下，由磁场感生的（△Z/Z）max≈615%。[2]另据日本东北大学教授荒井贤一报告，将铜导体（厚3μm，宽0.5mm）夹在非晶磁膜（Co73Si12B15合金：厚2μm，宽2mm，长10mm）中间，并在其间加上SiO2绝缘层，在元件长度方向施加直流外磁场和通过10MHz载波电流时，也可以得到大约600%的阻抗变化率和0.8%（A/m）的电压变化量。[3]
    GMI磁传感器实用化的关键，一是选择合适的磁性材料，二是针对具体应用采用恰当的电路系统。目前，日本Unitika股份有限公司已能够批量供应这种传感器用的丝材，它是把非晶合金CoFeSiB（λs=-10-7）冷拉成15～30μm直径，以后进行张力退火，在其表层感生出精确的圆周各向异性。也有将Co85Nb12Zr磁膜加工成长条形作传感器和用Co73Si12B15非晶磁膜与铜导体、SiO2绝缘层构成多层结构，做成外铁闭合磁路型传感器的。1997年，T·Kanno等人摸索到利用脉冲电流响应磁阻抗效应的CMOS FET 传感器电路；高分辨率线性传感器在传感器电子线路中用负反馈回路，对高稳定开关型传感器则采用正反馈回路。日本爱知制钢公司于2001年用直径30μm长2mm CoFeSiB非晶丝开发出可高密度制造的CMOS型磁阻抗传感器集成电路芯片，2002年又用φ20μm长1μm CoFeSiB非晶丝微机加工成CMOS型磁阻抗传感器集成电路芯片。证明可向市场提供低成本大批量的GMI微型磁传感器产品。这种产品的主要性能指标列于表1，并向其他常用高性能磁传感器产品进行了比较。
    表中的数据揭示出GMI传感器的突出特点：具有和磁通门磁强计一样高的灵敏度，对交流均匀磁场的检测分辨率达（8×10-5A/m，1μOe），对直流磁场约（8×10-3A/m，100μOe）；响应速度比后者快（200倍），功耗低。GMI传感器的探头长～1mm，大约是磁通门磁强计的1/20。因为它的头中无退磁场。故而检测定域磁极场的分辨率可高出磁通门磁强计20倍。
    最近，名古屋大学沈丽萍等人报告了冷拉后经强力退火的负磁致伸缩Co72.5Si12.5B15非晶丝（直径20～30μm，λs=-3×10-6）一种高灵敏的应力阻抗（SI）效应，显示应变系数高达2000～4000；当给这种材料通以高频或尖脉冲电流发生强趋肤效应时，丝阻抗会随外加应力（张力或压缩力）剧烈变化。[5]他们把这种非晶元件固定在塑料弹性板上，构成悬臂梁式探头，加上CMOS集成多谐振荡电路，开发出多种高灵敏度应变传感器和加速度传感器。
    大家知道，目前常用的NiCr电阻丝和半导体压电陶瓷的应变系数分别为2和100～200左右，而非晶丝可高达4000。用SI非晶元件与CMOS IC多谐振荡电路构成的加速度传感器，重复振动检测的分辨率是10-3Gal(10-5m/s2)，非重复运动分辨率为0.1Gal(10-3m/s2)。[6]其线性应变规，检测重力的分辨率约2.5mg，在-0.75～1.25g范围有很高的线性度。它们消耗的功率低于6mW。
2.2 SV-GMR传感器及其陈列
    巨磁电阻（GMR）效应，最初是用厚度为数个原子层（数nm）的Fe/Cr多层膜，在4.2K加上1.6×107A/m磁场时发现的，[7]其电阻值的变化（△R/Ro，△R=R11-R1）高达46%，而且有AMR效应的单层金属膜最大才4～6%。1991年Parkin等人用Co/Cu多层膜，在室温下加磁场，使其电阻的变化达到了65%。但是，这种电阻变化所需的磁场太高，难以实用化。后来，改由易磁化自由磁性层（NiFe等）/铜间隔层/难磁化钉扎层（如Co）/反铁磁交换耦合层（FeMn等）组成的所谓SV-GMR结构元件，和CMOS集成电路结合，在高密度HDD机中首先被实际用作读出磁头，接着又开发出实用型高灵敏度磁场传感器。现正在进行使用多个SV-GMR元件的微型磁传感器阵列开发。[8]
    从表1中看出，与常用霍尔器件比，SV-GMR传感器有两个明显的特点：第一，后者能够以较低的（<8kA/m，为前者的1/5）磁场产生比前者强得多的输出信号。如用5V驱动典型的硅霍尔器件，每8kA/m的输出为5mV；而用同样大小的电压驱动SV-GMR元件，只加800A/m偏场，就可以得到>150mV的信号，约比前者高30倍。第二，在温度波动大的场合，SV-GMR传感器可产生灵敏度高、线性度和稳定性好的信号。通常，在温度高于100℃的环境中硅霍尔器件的信号强度就低到难以重复的程度，不进行温度补偿，器件便无法工作。据H·Takeda等人的研究表明，使用经过时效处理的纳米颗粒Ag72Co28溅射薄膜制作无刷电动机用GMR极性传感器，工作温度高达300℃（573k），而现用InSb霍尔器件仅限于130℃以下（400k）。
2.3 薄膜磁通门磁强计
    传统的磁通门磁强计，普遍用来测量1nT～1mT的弱磁场，分辨率可达到0.1nT。它们在航天飞行器姿态控制，探矿、考古、空间磁场探测和深潜探雷等军事活动中得到广泛的应用。
    这种传统器件常用两个数厘米大的磁棒成磁环和多匝线圈构成。因而，很难小型化。此外，在使用过程中用手调节，需单独校准，给操作带来不便，成本也高。为此，正在积极开发磁性薄膜微型磁通门器件。
    微型磁通门磁强计，系采用微电子技术，即用磁性薄膜、微机加工或标准平面工艺制成的励磁线圈与检测线圈制成。P·Ripka等人在硅基片上电镀上、下两层4μm的坡莫合金作磁芯，用3μm厚铝加工成的2个金属层被夹在坡莫合金层之间。用光刻工艺，使铝形成一个扁平励磁线圈和2个反串联的检测线圈；将坡莫合金膜光刻成4根长0.7mm长条，对称地放置在线圈两边，由它们组成励磁的两通道闭合磁路。整个器件类似一个双磁通门传感器，芯片尺寸只有2.5×4mm2。经检验，用脉冲励磁的噪声是20nTrms，磁滞在1mT以内，6mT磁场冲击引起的打火低于5μT。[9]
    佐藤等人用纳米晶高电阻率磁性薄膜设计制成磁通门磁强计。他们用平面工艺制作励磁线圈和检测线圈（各10匝），形成螺线管结构，把3μm厚的矩形（2×6mm2）磁膜插入螺线管腔内，在难磁化方向（矩形膜的短轴）上励磁。发现，用Fe-Hf-O纳米晶膜构成的器件，加外磁场，用1MHz 700mA幅值电流励磁，检测磁场的灵敏度（S=dV2P/dHmax）达100mV/80A/m）。[10]
    S·Kawahito等人把Fe-Ni-In薄膜加工成长条作磁芯，元件尺寸厚4μm×宽4.9mm×长1mm。用铝薄膜微细加工成励磁线圈和检测线圈，绕到磁芯上。线圈和磁芯之间，用聚酰亚胺作绝缘层。用3MHz电流励磁，传感器检测磁场的灵敏度是3.5mV/(A/m)，分辨率为3.2×10-2A/m。
    从目前看来，这种器件的灵敏度还很低，比原用块状磁芯的器件小2～3数量级。正在对高频化、磁芯材料和传感器结构设计等问题做进一步的研究，以作改进。
2.4 无线无源磁弹微型传感器阵列[11]
    为了能够同时测定真空或者密闭不透光环境中的压力和温度，Grimes等人使用非晶磁弹材料，开发出无线无源磁弹微型传感器阵列。非晶材料可选用磁力耦合系数和低场磁致伸缩系数均很大的市售Metglas合金2826MB  （Fe40Ni38Mo4B18）和2605SC（Fe81B13.5Si3.5C2）带材（厚28μm）。采用电子放电机加工工艺，将薄带切割成4个分别长2.76、2.71、2.66和2.56mm，每个纵横尺寸比均为7的敏感元件。用聚氨基甲酸酯薄膜，以这些元件的非振动中点把它们贴附到微机加工成的印刷电路板上，形成传感器阵列。该阵列中，有一平直的和一个弯曲的敏感元件。各元件的长度稍有差别，是为了使它们的特性共振频率和工作频率范围不发生重叠。
    上述非晶敏感元件在受到磁场脉冲的作用时，传感器内会发射弹性波，使其发生机械变形，其变化量在机械共振频率最大。因为传感器系磁致伸缩型，故机械变形发射的磁通，用检测线圈可以远距离检测到。可采取两种方案远程访问和监测传感器阵列：其一，在敏感元件阵的两端分别放置一个多匝访问线圈和一个多匝检测线圈；把导线印刷在支撑印刷电路板上，注意使铜条在传感器下面通过，这样可将传感器阵列并入MEMS传感器模块。无论采用哪种监测方案，根据适用的设备，都可以在0.5s内以几赫兹的分辨率同时确定元件共振频率。增加传感器阵列中敏件元件的数量，不会增长测量的时间。
    用一平直（未加应力）敏感元件和一非弹性阻尼2826MB合金元件，在改变环境温度时测量外界压力，把归一化频率值用作每个敏感元件超出另一元件的工作频率范围。平直敏感元件的共振频率实际上不受外界压力的影响。与这相反，阻尼敏感元件由于在其平面外的振动，其共振频率响应曲线会随着压力增大而线性地下移。温度升高时，两种敏感元件的频率-压力响应曲线都直线式地下移。通过两种元件之间的比较，可以测定绝对压力，而与温度无关。与此类似，可以在外界压力发生变化时测量温度。因2605SC合金的弹性温度系数比2826MB合金高，故而有较大的频率温度斜率。使每个敏感元件都弯曲同样的度数；因此，增大的外界压力将两个元件的频率-温度响应曲线直线下移。因两个敏感元件共振频率之差与压力无关，故可测量绝对温度。
3 应用及市场
    新型磁传感器的开发和应用，已创造了巨大的经济、技术和社会效益，加速了工业自动化、管理集约化、办公自动化和家庭生活现代化的实现，加快了工业化社会向信息化社会转变的步伐。在传统产业改造、资源探查及综合利用、环境保护、生物工程、交通智能化管制等各个方面，它们将发挥愈来愈重要的作用。
3.1 在传统产业改造中的应用及市场
    据网上报道，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）。虽然有很多种电子传感器，例如电容式传感器、声表面波传感器等可为这些应用提供良好的性能，但是这些平台，在传感器和数据处理电子器件之间要用有形的接插件直接联接，或者在传感器和检测器之间需要精确校准与调整。若采用新型微型磁传感器，特别是无线无源（无电池）器件，则可省去这些麻烦。这样，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，如用前述的GMI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。
    数控机床、机器人及工厂自动化相关设备的位置检测、传输速度控制，目前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。微型磁编码器和控制微机一体化，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。
各种精密、超精密线位移磁传感器已大量用于精密加工机床、专用机床、半导体制造设备和三维测量设备。使用高灵敏度、高速响应的磁敏元件的电流传感器、磁极位置传感器等，在各种电动机驱动、控制中担负着重要角色。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。
3.2 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。采用前述的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。
3.3 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。目前，国内外都在加强高速公路行车支援道路系统（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）......
    日本名大和Tohoku ALPS公司运用GMI传感器开发了一种新式汽车传感系统[12]。该系统由内置2只GMI传感器的铝圆盘（φ300×h23mm）、一台微机和一个半导体存储器集成电路芯片构成，装在行车路上。当汽车从圆盘上经过时，由GMI传感器检测车体产生的杂散磁场；用微机系统完成信号处理和数据记录。一个圆盘可以记录2000辆汽车通过时车身的长度、行车速度和时间，用8只小电池，系统可连续工作3天。佳能电子公司使用自己的微晶磁膜，开发出商名TMF的HS型和VS型两种磁场传感器，元件分别长2mm和1.8mm，图形宽均为30μm。高频电流驱动频率在3～45MHz内可选。给这些TMF元件配置简单的振荡和缓冲电路，通过测量地磁场一类的弱磁场，就能够识别车型，检测车速、交通流量。例如，在高50cm距离车辆1m处放置一个由3轴构成的HS-01型传感器，可以同时测量运行车辆在X、Y、Z三个方向产生的磁场，在X方向测得磁场变化8μT，Y方面——11μT，Z方向——5μT。从而，可识别车辆类型。他们应用TMF元件推出了实用型车速脉冲发生器，把它们放在行李箱内，检测车胎产生的磁场变化，把车速数据——脉冲信号供给汽车导航系统。■

参考文献
[1] K.Mohri，et al.，IEEE Trans.Magn.，1992，28(5):3150～3152.
[2] V.Zhukova，et al.，IEEE Trans.Magn.，2002，38(5):3090～3092.
[3] 荒井贤一，日本应用磁氮学会誌，2002，24（12）：1412.
[4] K.Mohri，et al.，IEEE Trans.Magn.，2002，38(5):3063～3068.
[5] 沈丽萍等，日本应用磁氮学会誌，1998，22（4-2）：677～680.
[6] L.P.Shou，et al.，IEEE Trans.Magn.，2000，36(5):3667～3669.
[7] M.N.Baibich，et al.，Phys.Rev.Lett.，1988，61 p.2471.
[8] G.A.Prinz，J.Magn.magn.，Mater，1999，200(1/3):57～68.
[9] P.Ripka，et al.，IEEE Trans.Magn.，2001，37(4):1998～2000.
[10] 佐藤等，J.Appl.Phys.，1998，83(11):6658.
[11] M.K.Jain and C.A.Grimes，IEEE Trans.Magn.，2001，37(4):2022～2024.
[12] T.Vchiyama，et al.，IEEE Trans.Magn.，2000，36(5):3670～3672.