一文读懂磁传感器（必须收藏）

而在当今的电子时代，磁传感器在电机、电力电子技术、汽车工业、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方面都有着广泛的应用。

磁传感器是一种把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。用于感测速度、运动和方向，应用领域包括汽车、无线和消费电子、军事、能源、医疗和数据处理等。

霍尔效应示意图

开关型霍尔传感器工作原理

是利用霍尔效应产生的电势差来测算外界磁场的大小和极性。磁力计是采用CMOS工艺的平面器件。工艺相对一般IC更为简单，一般采用P型衬底上N阱上形成传感器件，通过金属电极将传感器与其他电路（如放大器、调节处理器等）相连。

但这样设计的的霍尔传感器只能感知垂直于管芯表面的的磁场变化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工艺上来讲就是做原来的管芯上增加一层坡莫合金，可探测平行于管芯方向的磁场。由此，霍尔传感器实现了从单轴到三轴磁力计的跨越式发展。

1857年，Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我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, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低, 我们对这种特性称为各向异性磁电阻效应（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,简称AMR）。磁场作用效果下图。

磁阻变化值与角度变化的关系

GMR和AMR在外加磁场下电阻率变化示意图

“巨”（giant）来描述此类磁电阻效应，并非仅来自表观特性，还由于其形成机理不同。常规磁电阻源于磁场对电子运动的直接作用，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基本无关。

巨磁阻效应仅依赖于相邻磁层的磁矩的相对取向，外磁场的作业只是为了改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向。除此以外，GMR效应更重要的意义是为进一步探索新物理——比如隧穿磁阻效应（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋电子学（Spintronics）以及新的传感器技术奠定了基础。

自旋阀GMR磁阻传感器基本结构

平行磁场和反平行磁场作用下的等效电路图

早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道结（MagneticTunnelJunctions，MTJs）中观察到了TMR（Tunnel Magneto-Resistance）效应。但是，这一发现当时并没有引起人们的重视。在此后的十几年里，有关TMR效应的研究进展十分缓慢。在GMR效应的深入研究下，同为磁电子学的TMR效应才开始得到重视。2000年，MgO作为隧道绝缘层的发现为TMR磁阻传感器的发展契机。

2001年，Butler和Mathon各自做出理论预测：以铁为铁磁体和MgO作为绝缘体，隧道磁电阻率变化可以达到百分之几千。同年，Bowen等首次用实验证明了磁性隧道结（Fe/MgO/FeCo）的TMR效应。2008年，日本东北大学的S. Ikeda, H. Ohno团队实验发现磁性隧道结CoFeB/MgO/CoFeB的电阻率变化在室温下达到604%，在4.2K温度下将超过1100%。TMR效应具有如此大的电阻率变化，因此业界越来越重视TMR效应的研究和商业产品开发。

从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；

当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。

可以看出，隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当磁化方向发生变化时，隧穿电阻发生变化，因此称为隧道磁电阻效应。

TMR磁化方向平行和反平行时的双电流模型

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。