磁传感器的作用 解析：磁传感器及其应用
解析：磁传感器及其应用
磁性传感器是一种可检测磁铁，以及电流产生的磁场或地磁场的强度和方向的传感器。磁场存在于我们身边，只是用肉眼看不见它，但我们可以借助磁性传感器来检测出它。虽然都叫做磁传感器，但是其实包含许多种类。
下面，我们介绍几种具代表性的磁性传感器及其各自的特点。
线圈是在众多磁性传感器中，最简单的一种磁性传感器。线圈可以检测出磁通量的变化。
如图1所示，当把磁铁靠近线圈时，线圈内磁通量⊿B增加。于是，在阻碍线圈磁通量增加的方向产生一个像磁通一样的诱导电动势/诱导电流。相反，当把此磁铁远离线圈时，因为线圈内的磁通量减少，线圈在使磁通量增加的方向生成一个诱导电动势/诱导电流。然而，当磁铁保持不动时，因为没有改变磁通量，所以不会产生诱导电动势/诱导电流。
因为线圈结构简单，所以它的特点是不易损坏。但因为线圈的输出电压依存于磁通量的变化速度，所以线圈无法用于检测磁通量变化缓慢的情况，或判断是否有固定的磁铁。
是左右两片呈交迭状且间隔一小段空隙的金属片（簧片）密封于一玻璃管中的传感器。 当有外部磁场靠近时，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使结点所接的电路连通。
霍尔元件
霍尔元件是利用霍尔效应制作而成的元件，英文拼写为Hall。Hall的由来是源于发现霍尔效应的霍尔博士的名字。 霍尔效应是指，当在电流的流动方向施加一个垂直于电流的磁场时，垂直于电流和磁感线的方向会产生一个电势差的现象。
当电流通过半导体薄膜时，根据霍尔效应，会产生与磁通量密度和其方向相对应的电压。 这种基于霍尔效应制作而成的，检测磁场的元件叫做霍尔元件。(N型半导体霍尔元件的原理图如图3所示)
即使是磁通量没有变化的静态磁场，霍尔元件也可以检测出其有无，所以霍尔元件被应用于多种用途，例如与磁铁配套使用的非接触式开关，角度传感器，电流传感器等。采用霍尔元件的地磁传感器被广泛应用于智能手机等领域。
磁阻元件
磁阻元件是用一种在外施磁场的作用下可以改变其自身阻值的材料制作而成的元件。
磁阻元件共分为四种，除了半导体磁阻元件（SMR元件）之外，还包括有用强磁体薄膜生成的各向异性磁阻（AMR Anisotropic Magneto Resistive），巨磁阻（GMR Giant Magneto Resistive)，和隧道磁阻（TMR Tunnel Magneto Resistive)。
相对，霍尔元件是测量由洛伦兹力而产生电动势的传感器，半导体磁阻元件是利用由洛伦兹力而产生阻值变化的传感器。
磁传感器应用
磁传感技术在机器人和工厂自动化中的优势尤其明显。由于磁传感器在零件位置和速度检测方面具有更高的可靠性和精密度，因此，它对运动控制而言至关重要。这一优势也让机器手臂和其它部件能够平稳而准确地移动，从而确保高质量和高安全性的制造过程。
除汽车外，磁传感器还大量用于如洗衣机和微波炉等家用电器中，以检测机器的门是处于关闭还是打开状态。磁传感器还被广泛用于医疗器械中，例如，当应用于助听器时，它能够检测佩戴者是否携带了手机，然后更改至相应的模式，以帮助佩戴者能够更清楚地听到来电。此外，它还常被用于电梯中的楼层检测以及检测例如平板电脑或手机等手持设备是处于打开还是关闭的状态。
磁传感器有多种多样的功能，但要特别指出的是，其中有两种功能的传感器可以被广泛集成到其它电路，那就是霍尔效应传感器和磁通门传感器。
霍尔效应传感器能够可靠地在各种电磁环境中运行，倍受制造商的推崇与喜爱。常见的应用包括油量表，主要用于检测油箱中的浮子，同时它也可用于无刷电机，检测转子位置并对电流进行计时。当磁传感器与其它电路集成时，制造过程无需特殊材料或进行特殊处理，有助于降低设计成本。
与霍尔效应传感器相比，磁通门传感器则更加敏感，它能够检测到磁场中非常细微的变化。磁通门传感器常用的应用包括轮船和飞机的电子罗盘以及地质学家用于检测地下结构的仪器。
什么是磁传感器？最常用的磁传感器类型及应用
01 什么是磁传感器？
磁传感器通常是指将磁场的大小和变化转换成电信号。
磁场，以地球磁场(地磁)或磁石为例的磁场是我们熟悉但不可见的现象。将不可见的磁场转化为电信号，以及转化为可见效应的磁传感器一直以来都是研究的主题。
从几十年前使用电磁感应效应的传感器，到如今涉及磁场电效应、磁阻效应、约瑟夫森效应和其他物理现象的应用。
02 典型磁传感器及其应用
现在，利用各种物理效应的传感器已经商业化。以下，我们将重点介绍最常用的磁传感器类型及其应用。
【MR 传感器元件】
MR传感器元件是利用磁阻效应(MR效应)的磁传感器元件。有许多使用不同工作原理的 MR 传感器类型。
MR效应是电阻随磁场变化而变化的现象。这种效应发生在磁性物料(例如铁、镍或钴)中。
在理解MR 效应之前需要先了解电子自旋，以及洛伦兹力如何利用电子电荷起作用。
当电子在铁磁物料(具有一定磁性的物料)中运动时，电子的自旋发生波动，(电子)在磁性物料中的散射概率就会上升或下降。这就是导致 MR 效应的原因。
电子有两个重要参数：电荷和自旋。它们具有相同的负电荷，但电子自旋有两种：向上自旋和向下自旋。1922年通过实验验证了电子自旋，并确认了电子具有电子角动量和磁矩特征。
当电子通过导电物料时，它们会发生散射(电子散射)。电子散射是物料中的静电导致电子偏离其正常轨迹的现象。
洛伦兹力是一种当导电物料中的移动带电粒子(电子)暴露于磁场时所起作用的力。它影响所有带电粒子并且不依赖于电子自旋。
【AMR 传感器元件】
1856年，William Thomson通过观察放置于外部磁场中的铁磁物料，发现了各向异性磁阻效应(AMR效应)。
当铁磁物料中的磁化方向与电流平行时，电子轨道就会垂直于电流，从而产生最大电阻。这增加了依赖于自旋的散射，导致电阻上升。
当磁化方向垂直于电流时，电子轨道就会与电流平行，减少了依赖于自旋的散射，并产生最小电阻。
由磁场状态引起的电阻变化率称为磁阻比率(MR比率)。AMR 传感器元件的 MR 比率约为 5%。AMR传感器元件由于结构简单，常用于磁性开关和旋转传感器。
【TMR 传感器元件】
常温下的隧道磁阻效应(TMR 效应)是日本东北大学Terunobu Miyazaki教授于 1995 年发现的。TMR 传感器元件是利用 TMR 效应的磁传感器元件，是由极薄的纳米级非磁性绝缘层夹在两个铁磁层中间构成。电子隧道通过绝缘层从一个铁磁层穿到另一个铁磁层。这是一种量子力学现象。
当两种铁磁物料的磁化方向平行时电阻减小，不平行时电阻增大。
TMR 交界处的 MR 比率(电阻随磁场状态的变化率)在生产中可达到 100% 以上。在实验室条件下，已达到 1,000% 以上的水平。
由于具有高灵敏度，TMR 传感器元件非常适合用于硬盘磁头或高灵敏度旋转角度传感器。
【霍尔元件】
霍尔元件是霍尔效应的一种应用。Edwin H. Hall于1879年发现的霍尔效应证明了洛伦兹力会产生与电流和磁场方向成直角的电压。该电压称为霍尔电压，根据Fleming左手法则，电压的方向随磁通量的方向而变化。电压的大小和方向(正、负)使得检测磁场(N极、S极)的大小和方向成为可能。
霍尔元件的磁灵敏度不如磁阻传感器元件。但作为不依赖于磁性物料的磁传感器，可以在铁磁场或恶劣环境下使用，因此可用作电流传感器或各种磁性开关。
03 ABLIC的磁传感器
ABLIC 现在提供由硅霍尔元件和信号处理电路构成的霍尔效应传感器和 TMR 传感器IC，同样地融合了信号处理电路。
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