蓬勃发展的磁传感器技术
2007-07-27 17:08:17
来源：《国际电子变压器》2007年7月刊
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1 前言
信息技术、能源和新材料是当代社会的三大支柱科学技术。信息技术乃是应用科学原理与方法来同信息打交道的技术，即指有关信息的产生、检测、交换、存储、传递、处理、显示、识别、提取、控制和应用的技术，其典型代表就是传感技术、通信技术和计算机技术。而传感技术的任务则是通过传感器这种灵敏器件高精确、高效率、高可靠地采集各种形式的信息供人们使用。传感器系指能把外界非电信息转换成为电信号或者光信号输出的器件。所谓电子传感器，就是能够迅速、准确、灵敏的将有关信息获取并传输到电子设备或系统的器件。做一个形象的比喻，如果把电子计算机比作人的大脑，那么电子传感器则像人的”五官”(视觉、触觉、味觉、听觉和触觉)，但我们对传感器的要求要比人的五官高得多，它还要对人体无法或者难于感知的量值（例如紫外光、红外光、电磁场、无味无嗅之气体及特高温、特高压、剧毒物、各种微弱信号等）测量出来， 并能放大、处理、传输、存储、显示或经过必要的控制、处理后传输出来。所以说计算机是人类大脑的扩展，传感器则是人类大脑五官的延伸。不言而喻，传感器是现代工业生产流程、自动控制系统和信息系统的关键基础元器件与技术之一。
磁性传感器则是传感器中的一大门类，具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等基本特点。
本文阐述了磁性传感器的工作原理、种类与发展，论述了它的应用与市场。
2 磁传感器技术
随着现代科学技术的发展，磁传感器已经形成种类繁多、用途广泛的一种器件，它在国民经济、科学技术、军事、医学等领域里发挥着极其重要的作用。
2.1 磁传感器的工作原理
当磁性材料在热、光、压力、中子、γ-射线、磁场等敏感输入量的作用下，其饱和磁密Bs、矫顽力Hc、磁导率μ和铁耗Wc等参数都要发生变化，如果我们加以利用的话即可构成各种用途、使人感兴趣的磁性传感器。因此利用合金、薄膜、铁氧体、非晶、磁性液体等敏感磁性材料，可以单独或者以组合方式构成不同的传感器，其关系如图1所示。
所以磁传感器，就是把磁场、放射线、压力、温度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以此来检测相应物理量的一种器件。其突出特点是非接触，以磁场或磁介质所有的各种物理现象为中间量来测量的（图2），其检测信号几乎不受被测物的影响，耐污染、抗噪声性能强，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，价格低廉，宜批量生产。
2.2 磁传感器的种类
磁传感器是以利用磁铁的指向性作指南针航海为开端的。其后，为感知磁场和磁通的变化，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，使用块状铁氧体磁芯的应力传感器，以热敏铁氧体为磁芯的温度传感器，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），巨磁阻传感器，巨磁阻抗传感器等等，种类之多不甚枚举，表1示出了部分主要的磁传感器门类。
现代各种测量弱磁场仪器中的核心部件就是磁传感器，从这个意义上说，磁传感器技术实际上就是一种弱磁场技术。现已经形成由磁传感器为核心的数十种测量弱磁场的仪器，它们在国民经济、科学技术、军事医学等领域里发挥着极其重要的作用。它不但用于检测磁场的大小和方向，而且还和永磁体等组合，用于位置、速度、角度、温度、电流等各种非磁学量的非接触检测，在工农业生产、管理、办公自动化中担负着日益重要的检测和控制功能的作用。在资源开发、能源节能、环保、医疗卫生等领域的科技进步中作用更加突出。图3示出了几种弱磁场测量仪器，图4是磁传感器的比较。
3 磁传感器的发展趋势
为适应整机小型化、智能化与高性能发展的需要，磁传感器正在向着微小型、集成、智能化和系统化等方向迈进并永无止境。
3.1新材料的出现是推动磁传感器发展的根基
对物性型传感器来说，功能材料是其发展的基础。这些新型功能材料就是：
1）用InAlAs/InGaAs/GaAs假晶异质结构（AlAs/GaAs）SLGaAS超晶格异质结构材料，
2）巨磁敏电阻（giant magnetoresistance，GMR）材料，
3）巨磁致阻抗（Giant magnetoimpedance，GMI）效应材料，
4）高转变温度（Tc）超导体
5）其它材料，如磁性金属颗粒膜、渗透颗粒膜、重掺杂n型InSb膜材料。
以上每一项新功能材料的开发和成功应用，都对传感器产品的研制和开发产生新的推动。
例如，在非晶线上通以高频（10kHz以上）电流时，在磁场作用下线两端的电压会发生巨大的变化（即其阻抗发生了巨大变化），这种阻抗变化可高达10%～100%/Oe（AMR的磁灵敏度为0.1%/Oe，GMR为1%/Oe）且与线的长短无关，这就是巨磁致阻抗（Giant magnetoimpedance，GMI）效应材料的作用。将GMI材料用在科尔皮兹振荡器或在多谐荡器中做成线路元件，发生谐振时，电压变化还会增强。用这种元件组成的上述两种电路已成功地做成器件，并可以集成。这种传感器可用作计算机硬盘读头、高分辨率磁编码器读头、汽车导航和用在电力配电网络、生物磁场传感（例如诊断脑瘤）、材料无损探伤等方面。
又如，用铌（Nb）或铅（Pb）薄膜制成的超导量子干涉器件（SQUID），在液氦的沸点温度（4.2K）下工作，可得到10-15T的磁场分辨率，是目前能检测的最弱磁场。近年来用钇钡铜氧高Tc陶瓷膜来制作SQUID，虽然牺牲了一些分辨率但可在液氮中（77K）使用，极大地扩大了使用范围，降低了使用成本。研究的这些进展，为磁传感器的性能改善和新器件开发、开辟了广阔的前景。
3.2向微型化、集成化、系统化、智能化方向迈进
在信息产业复杂的应用系统中，要求传感器体积小、重量轻、功能强、接口方便等等，给传感器提出了许多极高的要求。要完全达到这些要求，磁传感器的微型化、集成化、系统化和智能化就不可避免。
正在实现集成化的磁传感器很多，如感应微位移传感器、磁通门磁强计、核磁共振磁强计、电子自旋共振电流传感器等等。
和霍尔集成电路的以及AMR集成电路不同的是这些磁传感器要集成一个个微系统，其中有线圈、磁芯、磁共振样品等等，需要空间结构。还有接口和讯号处理电路，包括激励线圈的电源、产生巨磁阻抗或磁共振所需的高频振荡源、取出讯号后的放大、解调或整形电路等等，组成非常复杂。人们调动了各种技术手段，包括半导体单片集成技术、混合集成技术、表面贴装、微机械加工、电子电路、薄膜的生成和处理等等，制成了一个个性能优异的微磁传感器系统。
由Popovic等集成的高分辨率微型化感应接近传感器达到了50nm的分辨率；他们又集成了单片核磁共振磁强计，精确度可达5ppm。由Mohri等人制作的磁致阻抗梯度磁场传感器，磁场分辨率AC可达10－10T，D达10－9T，空间分辨率达30μm。由Kawahito等研制的采用闭合耦合线圈结构的高分辨率微磁通门传感器，在3MHz的激励电流下灵敏度可达2700V/T，分辨率可达4×10－8T。由Duret等研制的电子自旋共振电流传感器，最小电流可测到10μA。
应当着重指出，磁通门传感器的微型化和集成化具有十分重要的意义。早在第一次世界大战期间，就在深潜探雷等军事活动中使用了磁通门。后来，它们又在探矿、考古、空间磁场探测、航天器飞行姿态控制等许多领域中得到应用。它能检测10－10T～10－4T的弱磁场，分辨率约为10－11T～10－9T，还可检测梯度场和向量场。但因其探头以及电路装置体积重量都较大而限制了它们的广泛应用。实现微型化和集成化之后，体积和重量大大减小，可实现大量生产和降低价格，将成为弱磁场检测的最重要的传感器。
钳形电流表的研制和生产是磁传感器系统化的重要例证。它以检测磁场为工作原理来测电流，可不断开被测电路直接得到测量结果。它包括了传感头、讯号处理、显示等系统，构成一种完整的测量仪表。
虽然现在还没有一种磁传感器具备智能传感器的全面功能，但许多磁传感器都在向智能化的方向前进着。
4 磁传感器的应用与市场
磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支。在传统产业应用和改造、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，它们发挥着愈来愈重要的作用。下面就一些重要方面的应用作一论述。
4.1 磁传感器的产业应用
磁传感器已经在许多领域获得了产业性的应用，每年所需用的磁传感器的总数量以数十亿计。
4.1.1 电机工业
无刷电动机具有体积小、重量轻、效率高、调速方便、维护少、寿命长、不产生电磁干扰等一系列优点，年需求量数以亿计。
在无刷电动机中，用磁传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器。许多磁传感器，霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但目前大量使用的，主要是霍尔器件。
电机的转速检测和控制使用了的旋转编码器，过去多用光编码器。磁编码器的使用显示出越来越多的优点，正在逐渐取代光学器件。使用磁传感器还可以对电机进行过载保护（目前主要用霍尔电流传感器）及转矩检测。
4.1.2 电力电子技术
电力电子表技术是电力技术和电子技术的结合，可实现交直流电流的相互变换，并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。采用这些技术和产品，可做成各种特殊电源（如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等）和交流变频器等产品（交流变频器用于电机调速，节能效果极好）。这些变流装置的核心，是大功率半导体器件。以磁传感器为基础的各种电流传感器被用来监测、控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快，且依靠磁场和被控电路耦合，不接入主电路，因而功耗低，抗过载能力强，线性好，可靠性高，既可作为大功率器件的过流保护驱动器，又可作为反馈器件，成为自控环路的一个控制环节。使用变流技术可以大量节能，目前国外使用的电能95%是经过变换来的，国内变流技术虽已受到高度重视，但仅有5%的电能经过这种变换，可见具有巨大的应用前景。其中，可能吸纳大量的电流传感器，是磁传感器的又一巨大的产业性应用领域。
4.1.3 能源管理
电网的自动检测系统需采集大量的数据，经计算机处理之后，对电网的运行状况实施监控，并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节，都可用以磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。目前霍尔电流传感器已逐步在电网系统中得到应用。用霍尔器件作成的电度表已从研制逐步转向实用化，它们可自动计费并可显示功率因数，以便随时进行调整，保证高效用电。
4.1.4 计算机技术与信息读写磁头
磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外，还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等，对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。目前，感应磁头，薄膜磁阻磁头，非晶磁头等都获得了大量的使用。随着记录密度的提高，例如高到100G字节，需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等正展开激烈的竞争。
4.1.5 汽车工业
在汽车中，使用大量的电机（高级汽车每辆约需40～60台电机，一般汽车中也有15台，这些电机呈现出无刷化趋势），其中使用磁传感器的数量之大，不言而喻；另一个大量使用磁传感器的是汽车的ABS系统（防抱制动系统），平均每台汽车要使用4～6只速度传感器，目前使用的主要是感应式速度传感器。正在逐步推广的新型的霍尔齿轮传感器，以及威氏器件、非晶器件、磁阻器件等即将进入这一领域。
另外是汽车发动机系统点火定时用的速度传感器及点火器。目前，这些方面也主要使用感应传感器。霍尔齿轮传感器和霍尔片开关已经在一些车型中使用。据霍尼威尔公司报导，截止1996年6月，他们已向汽车工业供应了8000万只霍尔翼片开关和300万只霍尔齿轮速度传感器。据预测，未来在一辆汽车中，将采用30多只象霍尔传感器那样的磁传感器。
还有在工业自动控制、机器人、办公自动化、家用电器及各种安全系统等领域，除大量使用无刷直流电机，交流变频器等之外，在电冰箱、空调器、电饭煲等装置中，使用了大量的磁性温度控制器，上世纪80年代中期已经超过数亿只。
4.2 在传统产业改造中的应用及市场
据报道，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）。若采用新型微型磁传感器，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，如使用GMI（巨磁阻抗）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，检测精度达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。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，则不受噪声、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。
旋转磁编码器在旋转量的检测控制中起关键作用，它在数控机床、机器人、工厂自动化设备的位置检测、传输速度控制，磁盘、打印机之类的自动化设备通讯设备的旋转量检测中都是不可缺少的重要部件。其检测对象是光磁图形，不受油雾粉尘的影响，因此比目前最先进的光编码器的可靠性高寿命长，尤其适合于自动焊接、油漆机器人和与钢铁有关的位置检测以及各种金属、木材、塑料等加工行业的应用。而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敏感元件构成的旋转磁编码器，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。在家用电器和节能产品中也也有其广泛的应用潜力，在节能环保产品中也大有用武之地。若使用微型磁编码器和控制微机一体化，更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。
4.3 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。
4.4 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持道路系统（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）
4.5磁传感器在电子罗盘中的应用
几个世纪以来，人们在导航中一直使用磁罗盘。有资料显示早在二千多年前中国人就开始使用天然磁石-一种磁铁矿来指示水平方向。电子罗盘（数字罗盘，电子指南针，数字指南针）是测量方位角（航向角）比较经济的一种电子仪器。如今电子指南针广泛应用于汽车和手持电子罗盘，手表，手机，对讲机，雷达探测器，望远镜，探星仪，穆斯林麦加探测器（穆斯林钟），手持 GPS 系统，寻路器，武器/导弹导航( 航位推测 )，位置/方位系统，安全/定位设备，汽车、航海和航空的高性能导航设备，电子游戏机设备等需要方向或姿态显示的设备。
地球本身是一个大磁铁，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传感器。图5显示这种传感器的具体工作原理。我们可以制出能够探测磁场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上。例如，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。
以上只述及了部分应用的方面，限于篇幅不再详述了。
5 结束语
种类繁多、性能各异的磁传感器是传感器的重要门类，在国民经济、科学技术、医疗卫生、交通运输等各个领域都获得了广泛应用；向微型化、集成化、系统化、智能化方向迈进的新型磁传感器具有更加广阔的市场与前景。
参考文献
[1] 吕义俊， 电子天府，No。1，1992
[2] 何小明 ，中国电子报，4。13，1999
[3] 谭锐， 磁电科技应用与市场快讯，7。8，2000
[4] 余声明，磁性材料及器件，No.5，1998
[5] http://www.chinaptc.com
[6] Http://www.big-bit.com 2004年06月02日
信息技术、能源和新材料是当代社会的三大支柱科学技术。信息技术乃是应用科学原理与方法来同信息打交道的技术，即指有关信息的产生、检测、交换、存储、传递、处理、显示、识别、提取、控制和应用的技术，其典型代表就是传感技术、通信技术和计算机技术。而传感技术的任务则是通过传感器这种灵敏器件高精确、高效率、高可靠地采集各种形式的信息供人们使用。传感器系指能把外界非电信息转换成为电信号或者光信号输出的器件。所谓电子传感器，就是能够迅速、准确、灵敏的将有关信息获取并传输到电子设备或系统的器件。做一个形象的比喻，如果把电子计算机比作人的大脑，那么电子传感器则像人的”五官”(视觉、触觉、味觉、听觉和触觉)，但我们对传感器的要求要比人的五官高得多，它还要对人体无法或者难于感知的量值（例如紫外光、红外光、电磁场、无味无嗅之气体及特高温、特高压、剧毒物、各种微弱信号等）测量出来， 并能放大、处理、传输、存储、显示或经过必要的控制、处理后传输出来。所以说计算机是人类大脑的扩展，传感器则是人类大脑五官的延伸。不言而喻，传感器是现代工业生产流程、自动控制系统和信息系统的关键基础元器件与技术之一。
磁性传感器则是传感器中的一大门类，具有非接触测量、高可靠、坚固耐用、测量灵敏度高等基本特点。
本文阐述了磁性传感器的工作原理、种类与发展，论述了它的应用与市场。
2 磁传感器技术
随着现代科学技术的发展，磁传感器已经形成种类繁多、用途广泛的一种器件，它在国民经济、科学技术、军事、医学等领域里发挥着极其重要的作用。
2.1 磁传感器的工作原理
当磁性材料在热、光、压力、中子、γ-射线、磁场等敏感输入量的作用下，其饱和磁密Bs、矫顽力Hc、磁导率μ和铁耗Wc等参数都要发生变化，如果我们加以利用的话即可构成各种用途、使人感兴趣的磁性传感器。因此利用合金、薄膜、铁氧体、非晶、磁性液体等敏感磁性材料，可以单独或者以组合方式构成不同的传感器，其关系如图1所示。
所以磁传感器，就是把磁场、放射线、压力、温度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以此来检测相应物理量的一种器件。其突出特点是非接触，以磁场或磁介质所有的各种物理现象为中间量来测量的（图2），其检测信号几乎不受被测物的影响，耐污染、抗噪声性能强，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，价格低廉，宜批量生产。
2.2 磁传感器的种类
磁传感器是以利用磁铁的指向性作指南针航海为开端的。其后，为感知磁场和磁通的变化，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，使用块状铁氧体磁芯的应力传感器，以热敏铁氧体为磁芯的温度传感器，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），巨磁阻传感器，巨磁阻抗传感器等等，种类之多不甚枚举，表1示出了部分主要的磁传感器门类。
现代各种测量弱磁场仪器中的核心部件就是磁传感器，从这个意义上说，磁传感器技术实际上就是一种弱磁场技术。现已经形成由磁传感器为核心的数十种测量弱磁场的仪器，它们在国民经济、科学技术、军事医学等领域里发挥着极其重要的作用。它不但用于检测磁场的大小和方向，而且还和永磁体等组合，用于位置、速度、角度、温度、电流等各种非磁学量的非接触检测，在工农业生产、管理、办公自动化中担负着日益重要的检测和控制功能的作用。在资源开发、能源节能、环保、医疗卫生等领域的科技进步中作用更加突出。图3示出了几种弱磁场测量仪器，图4是磁传感器的比较。
3 磁传感器的发展趋势
为适应整机小型化、智能化与高性能发展的需要，磁传感器正在向着微小型、集成、智能化和系统化等方向迈进并永无止境。
3.1新材料的出现是推动磁传感器发展的根基
对物性型传感器来说，功能材料是其发展的基础。这些新型功能材料就是：
1）用InAlAs/InGaAs/GaAs假晶异质结构（AlAs/GaAs）SLGaAS超晶格异质结构材料，
2）巨磁敏电阻（giant magnetoresistance，GMR）材料，
3）巨磁致阻抗（Giant magnetoimpedance，GMI）效应材料，
4）高转变温度（Tc）超导体
5）其它材料，如磁性金属颗粒膜、渗透颗粒膜、重掺杂n型InSb膜材料。
以上每一项新功能材料的开发和成功应用，都对传感器产品的研制和开发产生新的推动。
例如，在非晶线上通以高频（10kHz以上）电流时，在磁场作用下线两端的电压会发生巨大的变化（即其阻抗发生了巨大变化），这种阻抗变化可高达10%～100%/Oe（AMR的磁灵敏度为0.1%/Oe，GMR为1%/Oe）且与线的长短无关，这就是巨磁致阻抗（Giant magnetoimpedance，GMI）效应材料的作用。将GMI材料用在科尔皮兹振荡器或在多谐荡器中做成线路元件，发生谐振时，电压变化还会增强。用这种元件组成的上述两种电路已成功地做成器件，并可以集成。这种传感器可用作计算机硬盘读头、高分辨率磁编码器读头、汽车导航和用在电力配电网络、生物磁场传感（例如诊断脑瘤）、材料无损探伤等方面。
又如，用铌（Nb）或铅（Pb）薄膜制成的超导量子干涉器件（SQUID），在液氦的沸点温度（4.2K）下工作，可得到10-15T的磁场分辨率，是目前能检测的最弱磁场。近年来用钇钡铜氧高Tc陶瓷膜来制作SQUID，虽然牺牲了一些分辨率但可在液氮中（77K）使用，极大地扩大了使用范围，降低了使用成本。研究的这些进展，为磁传感器的性能改善和新器件开发、开辟了广阔的前景。
3.2向微型化、集成化、系统化、智能化方向迈进
在信息产业复杂的应用系统中，要求传感器体积小、重量轻、功能强、接口方便等等，给传感器提出了许多极高的要求。要完全达到这些要求，磁传感器的微型化、集成化、系统化和智能化就不可避免。
正在实现集成化的磁传感器很多，如感应微位移传感器、磁通门磁强计、核磁共振磁强计、电子自旋共振电流传感器等等。
和霍尔集成电路的以及AMR集成电路不同的是这些磁传感器要集成一个个微系统，其中有线圈、磁芯、磁共振样品等等，需要空间结构。还有接口和讯号处理电路，包括激励线圈的电源、产生巨磁阻抗或磁共振所需的高频振荡源、取出讯号后的放大、解调或整形电路等等，组成非常复杂。人们调动了各种技术手段，包括半导体单片集成技术、混合集成技术、表面贴装、微机械加工、电子电路、薄膜的生成和处理等等，制成了一个个性能优异的微磁传感器系统。
由Popovic等集成的高分辨率微型化感应接近传感器达到了50nm的分辨率；他们又集成了单片核磁共振磁强计，精确度可达5ppm。由Mohri等人制作的磁致阻抗梯度磁场传感器，磁场分辨率AC可达10－10T，D达10－9T，空间分辨率达30μm。由Kawahito等研制的采用闭合耦合线圈结构的高分辨率微磁通门传感器，在3MHz的激励电流下灵敏度可达2700V/T，分辨率可达4×10－8T。由Duret等研制的电子自旋共振电流传感器，最小电流可测到10μA。
应当着重指出，磁通门传感器的微型化和集成化具有十分重要的意义。早在第一次世界大战期间，就在深潜探雷等军事活动中使用了磁通门。后来，它们又在探矿、考古、空间磁场探测、航天器飞行姿态控制等许多领域中得到应用。它能检测10－10T～10－4T的弱磁场，分辨率约为10－11T～10－9T，还可检测梯度场和向量场。但因其探头以及电路装置体积重量都较大而限制了它们的广泛应用。实现微型化和集成化之后，体积和重量大大减小，可实现大量生产和降低价格，将成为弱磁场检测的最重要的传感器。
钳形电流表的研制和生产是磁传感器系统化的重要例证。它以检测磁场为工作原理来测电流，可不断开被测电路直接得到测量结果。它包括了传感头、讯号处理、显示等系统，构成一种完整的测量仪表。
虽然现在还没有一种磁传感器具备智能传感器的全面功能，但许多磁传感器都在向智能化的方向前进着。
4 磁传感器的应用与市场
磁传感器的应用十分广泛，已在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用，成为现代传感器产业的一个主要分支。在传统产业应用和改造、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，它们发挥着愈来愈重要的作用。下面就一些重要方面的应用作一论述。
4.1 磁传感器的产业应用
磁传感器已经在许多领域获得了产业性的应用，每年所需用的磁传感器的总数量以数十亿计。
4.1.1 电机工业
无刷电动机具有体积小、重量轻、效率高、调速方便、维护少、寿命长、不产生电磁干扰等一系列优点，年需求量数以亿计。
在无刷电动机中，用磁传感器来作转子磁极位置传感和定子电枢电流换向器。许多磁传感器，霍尔器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但目前大量使用的，主要是霍尔器件。
电机的转速检测和控制使用了的旋转编码器，过去多用光编码器。磁编码器的使用显示出越来越多的优点，正在逐渐取代光学器件。使用磁传感器还可以对电机进行过载保护（目前主要用霍尔电流传感器）及转矩检测。
4.1.2 电力电子技术
电力电子表技术是电力技术和电子技术的结合，可实现交直流电流的相互变换，并可在所需的范围内实现电流、电压和频率的自由调节。采用这些技术和产品，可做成各种特殊电源（如UPS、高频电源、开关电源、弧焊机逆变电源等）和交流变频器等产品（交流变频器用于电机调速，节能效果极好）。这些变流装置的核心，是大功率半导体器件。以磁传感器为基础的各种电流传感器被用来监测、控制和保护这些大功率器件。霍尔电流传感器响应速度快，且依靠磁场和被控电路耦合，不接入主电路，因而功耗低，抗过载能力强，线性好，可靠性高，既可作为大功率器件的过流保护驱动器，又可作为反馈器件，成为自控环路的一个控制环节。使用变流技术可以大量节能，目前国外使用的电能95%是经过变换来的，国内变流技术虽已受到高度重视，但仅有5%的电能经过这种变换，可见具有巨大的应用前景。其中，可能吸纳大量的电流传感器，是磁传感器的又一巨大的产业性应用领域。
4.1.3 能源管理
电网的自动检测系统需采集大量的数据，经计算机处理之后，对电网的运行状况实施监控，并进行负载的分配调节和安全保护。自动监控系统的各个控制环节，都可用以磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实现。目前霍尔电流传感器已逐步在电网系统中得到应用。用霍尔器件作成的电度表已从研制逐步转向实用化，它们可自动计费并可显示功率因数，以便随时进行调整，保证高效用电。
4.1.4 计算机技术与信息读写磁头
磁信息记录装置除磁带、磁盘等之外，还有磁卡、磁墨水记录帐册、钞票的磁记录等，对磁信息存储和读出传感器有巨大需求。目前，感应磁头，薄膜磁阻磁头，非晶磁头等都获得了大量的使用。随着记录密度的提高，例如高到100G字节，需要更高灵敏度和空间分辨力的磁头。以多层金属薄膜为基础的巨磁阻磁头、用非晶合金丝制作的非晶合金磁头、巨磁阻抗磁头等正展开激烈的竞争。
4.1.5 汽车工业
在汽车中，使用大量的电机（高级汽车每辆约需40～60台电机，一般汽车中也有15台，这些电机呈现出无刷化趋势），其中使用磁传感器的数量之大，不言而喻；另一个大量使用磁传感器的是汽车的ABS系统（防抱制动系统），平均每台汽车要使用4～6只速度传感器，目前使用的主要是感应式速度传感器。正在逐步推广的新型的霍尔齿轮传感器，以及威氏器件、非晶器件、磁阻器件等即将进入这一领域。
另外是汽车发动机系统点火定时用的速度传感器及点火器。目前，这些方面也主要使用感应传感器。霍尔齿轮传感器和霍尔片开关已经在一些车型中使用。据霍尼威尔公司报导，截止1996年6月，他们已向汽车工业供应了8000万只霍尔翼片开关和300万只霍尔齿轮速度传感器。据预测，未来在一辆汽车中，将采用30多只象霍尔传感器那样的磁传感器。
还有在工业自动控制、机器人、办公自动化、家用电器及各种安全系统等领域，除大量使用无刷直流电机，交流变频器等之外，在电冰箱、空调器、电饭煲等装置中，使用了大量的磁性温度控制器，上世纪80年代中期已经超过数亿只。
4.2 在传统产业改造中的应用及市场
据报道，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）。若采用新型微型磁传感器，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，如使用GMI（巨磁阻抗）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，检测精度达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。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，则不受噪声、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。
旋转磁编码器在旋转量的检测控制中起关键作用，它在数控机床、机器人、工厂自动化设备的位置检测、传输速度控制，磁盘、打印机之类的自动化设备通讯设备的旋转量检测中都是不可缺少的重要部件。其检测对象是光磁图形，不受油雾粉尘的影响，因此比目前最先进的光编码器的可靠性高寿命长，尤其适合于自动焊接、油漆机器人和与钢铁有关的位置检测以及各种金属、木材、塑料等加工行业的应用。而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敏感元件构成的旋转磁编码器，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。在家用电器和节能产品中也也有其广泛的应用潜力，在节能环保产品中也大有用武之地。若使用微型磁编码器和控制微机一体化，更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。
4.3 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。
4.4 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持道路系统（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）
4.5磁传感器在电子罗盘中的应用
几个世纪以来，人们在导航中一直使用磁罗盘。有资料显示早在二千多年前中国人就开始使用天然磁石-一种磁铁矿来指示水平方向。电子罗盘（数字罗盘，电子指南针，数字指南针）是测量方位角（航向角）比较经济的一种电子仪器。如今电子指南针广泛应用于汽车和手持电子罗盘，手表，手机，对讲机，雷达探测器，望远镜，探星仪，穆斯林麦加探测器（穆斯林钟），手持 GPS 系统，寻路器，武器/导弹导航( 航位推测 )，位置/方位系统，安全/定位设备，汽车、航海和航空的高性能导航设备，电子游戏机设备等需要方向或姿态显示的设备。
地球本身是一个大磁铁，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传感器。图5显示这种传感器的具体工作原理。我们可以制出能够探测磁场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上。例如，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。
以上只述及了部分应用的方面，限于篇幅不再详述了。
5 结束语
种类繁多、性能各异的磁传感器是传感器的重要门类，在国民经济、科学技术、医疗卫生、交通运输等各个领域都获得了广泛应用；向微型化、集成化、系统化、智能化方向迈进的新型磁传感器具有更加广阔的市场与前景。
参考文献
[1] 吕义俊， 电子天府，No。1，1992
[2] 何小明 ，中国电子报，4。13，1999
[3] 谭锐， 磁电科技应用与市场快讯，7。8，2000
[4] 余声明，磁性材料及器件，No.5，1998
[5] http://www.chinaptc.com
[6] Http://www.big-bit.com 2004年06月02日
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