磁性材料

　　我國傳感器產(chǎn)品僅有10大類、42小類、6000多個(gè)品種，品種繁多的磁性傳感器只是其中一大類，它具有非接觸測量、高可靠、堅(jiān)固耐用、測量靈敏度高等基本特點(diǎn)。眾所周知，磁場能夠穿透許多非金屬物質(zhì)材料，因此無須直接接觸目標(biāo)物體就可觸發(fā)交換過程。通過使用磁性導(dǎo)體（比如鐵），磁場即可被傳導(dǎo)到較遠(yuǎn)的距離，于是，信號就能從溫度較高的區(qū)域傳送出去。因此，人們把磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號，以這種方式來檢測相應(yīng)物理量的器件叫做磁性傳感器。

　　一、工業(yè)上用途廣泛

　　在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，最流行的磁性傳感器類型是電流傳感器，包括分流電阻器、霍爾效應(yīng)集成電路、電流感應(yīng)變壓器、開環(huán)與閉環(huán)霍爾器件以及磁通門傳感器。

　　1、電機(jī)

　　在無刷電動機(jī)中，用磁性傳感器來作轉(zhuǎn)子磁極位置傳感和定子電樞電流換向器，許多磁性傳感器，霍爾器件、威根德器件、磁阻器件等都可以使用，但當(dāng)前大量使用的，主要還是霍爾器件。另外磁性傳感器還可以對電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)及轉(zhuǎn)矩檢測；交流變頻器用于電機(jī)調(diào)速，節(jié)能效果極好。由于磁編碼器的使用顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn)，因此正在逐漸取代光編碼器來對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測和控制；例如，在電動車窗之中，傳感器可以確定軸轉(zhuǎn)動了多少圈，以控制車窗升降器的行程。傳感器也可以探測到人手造成的異常負(fù)載情況，提供所謂的“防夾”功能，在碰到物體的時(shí)候，電機(jī)可以反轉(zhuǎn)。用于直流電機(jī)換向和探測電流的電動助力轉(zhuǎn)向傳感器也是一個(gè)快速增長的應(yīng)用，用于代替電動液壓型系統(tǒng)。

　　2、電力電子技術(shù)

　　電力電子表技術(shù)是電力技術(shù)和電子技術(shù)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)交直流電流的相互變換，并可在所需的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流、電壓和頻率的自由調(diào)節(jié)。采用這些技術(shù)和產(chǎn)品，可做成各種特殊電源（如UPS、高頻電源、開關(guān)電源、弧焊機(jī)逆變電源等）和交流變頻器等產(chǎn)品。這些變頻裝置的核心，是大功率半導(dǎo)體器件。以磁性傳感器為基礎(chǔ)的各種電流傳感器被用來監(jiān)測控制和保護(hù)這些大功率器件。霍爾電流傳感器響應(yīng)速度快，且依靠磁場和被控電路耦合，不接入主電路，因而功耗低，抗過載能力強(qiáng)，線性好，可靠性高，既可作為大功率器件的過流保護(hù)驅(qū)動器，又可作為反饋器件，成為自控環(huán)路的一個(gè)控制環(huán)節(jié)。使用變頻技術(shù)可以大量節(jié)能，目前國外使用的電能95%是經(jīng)過變換來的，國內(nèi)變頻技術(shù)雖已受到高度重視，但僅有5%的電能經(jīng)過這種變換，可見具其后續(xù)改造空間之大，將需求大量的電流傳感器，這將是磁性傳感器的又一巨大的產(chǎn)業(yè)性應(yīng)用領(lǐng)域。

　　3、能源管理

　　電網(wǎng)的自動檢測系統(tǒng)需采集大量的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理之后，對電網(wǎng)的運(yùn)行狀況實(shí)施監(jiān)控，并進(jìn)行負(fù)載的分配調(diào)節(jié)和安全保護(hù)。自動監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)，都可用以磁性傳感器為基礎(chǔ)的電流傳感器、互感器等來實(shí)現(xiàn)。霍爾電流傳感器早已在電網(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。用霍爾器件作成的電度表也已從研制轉(zhuǎn)向?qū)嵱没鼈兛勺詣佑?jì)費(fèi)并可顯示功率因數(shù)，以便隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證高效用電。

　　4、磁信息記錄裝置

　　磁信息記錄裝置除磁帶、磁盤等之外，還有磁卡、磁墨水記錄帳冊、鈔票的磁記錄等，對磁信息存儲和讀出傳感器有巨大需求。目前，感應(yīng)磁頭，薄膜磁阻磁頭，非晶磁頭等都獲得了大量的使用。隨著記錄密度的提高，例如高到100G字節(jié)，需要更高靈敏度和空間分辨力的磁頭。以多層金屬薄膜為基礎(chǔ)的巨磁阻磁頭、用非晶合金絲制作的非晶合金磁頭、巨磁阻抗磁頭等正展開激烈的競爭。

　　5、交通控制

　　目前，國內(nèi)外都在加強(qiáng)行車支持道路系統(tǒng)（AHS）、智能運(yùn)輸系統(tǒng)（］．TS）和道路交通信息系統(tǒng)（VICS）等的開發(fā)與建設(shè)。在這些新系統(tǒng)中，高靈敏度、高速響應(yīng)微型磁傳感器大有用武之地。例如，用分辨率可達(dá)InT的GMI和SI傳感器，可構(gòu)成ITS感器（作高速路上的道路標(biāo)志，測車輪角度，貨車近接距離），汽車通過記錄儀（測通行方向、速度、車身長度、車種識別）、停車場成批車輛傳感器、加速度傳感器（測車輛通過時(shí)路橋的振動等）等。在智能交通系統(tǒng)，如果你在公路上放置一個(gè)磁性傳感器，任何一輛車在公路上開的時(shí)候，車走過的軌跡就能記錄下來，從而可以控制高速公路的車流。

　　去年動車出事以后，國家交通部為防止類似事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了許多方案，其中一個(gè)很簡單方案，就是在動車沿線每隔兩公里鋪一個(gè)磁性傳感器，這是一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)，所以當(dāng)動車沒電的時(shí)候信號就可以自動傳到調(diào)度中心。

　　美國的NVE公司已經(jīng)把GMR傳感器用在車輛的交通控制系統(tǒng)上。例如，放置在高速公路邊的GMR傳感器可以計(jì)算和區(qū)別通過傳感器的車輛，如果同時(shí)分開放置兩個(gè)GMR傳感器，還可以探測出通過車輛的速度和車輛的長度，當(dāng)然GMR也可用在公路的收費(fèi)亭，從而實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的自動控制。

　　二、在汽車中的應(yīng)用無處不在

　　磁性傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用尤其普遍，例如包括汽車安全、汽車舒適性、汽車節(jié)能降耗等。單是在汽車車身應(yīng)用領(lǐng)域，一輛車使用的磁性傳感器與開關(guān)平均數(shù)量，就將從2008年的6.7顆，成長至2013年的9.4顆。據(jù)介紹，汽車領(lǐng)域占據(jù)了磁傳感應(yīng)用市場大約70Y0以上的份額。它在汽車中主要被用于車速、傾角、角度、距離、接近、位置等參數(shù)檢測以及導(dǎo)航、定位等方面的應(yīng)用，比如車速測量、踏板位置、變速箱位置、電機(jī)旋轉(zhuǎn)、助力扭矩測量、曲軸位置、傾角測量、電子導(dǎo)航、防抱死檢測、泊車定位、安全氣囊與太陽能板中的缺陷檢測、座椅位置記憶、改善導(dǎo)航系統(tǒng)的航向分辨率。在節(jié)能降耗中，尤其是在制造商目前面臨減少點(diǎn)滴碳排放或其它污染物壓力的時(shí)候，這方面的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是馬達(dá)，馬達(dá)正在從存在摩擦力的“一刻不停”的滑輪系統(tǒng)向電子馬達(dá)轉(zhuǎn)變，后者可以按需控制。與此同時(shí)，電子馬達(dá)向效率更高和更加可靠的有刷DC馬達(dá)轉(zhuǎn)變，而磁性傳感器的應(yīng)用能夠讓馬達(dá)控制或換向更加精確。此外，汽車防抱死剎車系統(tǒng)（ABS）中的基本輪轉(zhuǎn)速感測、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的扭矩感測、電子線控節(jié)氣門系統(tǒng)和電池監(jiān)測、智能電扇等都有著磁性傳感器的身影。在混合動力電動汽車中，磁性傳感器用于監(jiān)控輔助電機(jī)逆變器。逆變器用于把電池直流電轉(zhuǎn)換成電機(jī)的交流電。這種轉(zhuǎn)換需要使用三個(gè)電流傳感器，電機(jī)的每個(gè)相位都需要一個(gè)。高級汽車需要使用霍爾IC和AMR傳感器。中低檔轎車中有10多種電機(jī)，如風(fēng)扇冷卻、交流發(fā)電機(jī)以及風(fēng)擋雨刷；豪華轎車擁有將近100個(gè)電機(jī)，其中包括用于空調(diào)送風(fēng)機(jī)、電子轉(zhuǎn)向與油門控制的傳感器，用于自動化與新型雙離合系統(tǒng)的傳動傳感器，以及用于座位位置調(diào)整、天窗、轉(zhuǎn)速表、前燈位置調(diào)整、靠枕的傳感器，甚至用于根據(jù)空氣質(zhì)量信息來控制進(jìn)氣風(fēng)門。

　　三、在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用

　　隨著人口老齡化趨勢的日漸明顯，用以輔助健康和監(jiān)護(hù)的醫(yī)療技術(shù)變得愈發(fā)重要。醫(yī)療

　　傳感器的應(yīng)用和推廣大大降低了人工成本和錯(cuò)誤的產(chǎn)生，同時(shí)也提高了自動化程度和精確度，

　　這一切使得持續(xù)的監(jiān)控和治療成為可能。磁性傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用，盡管規(guī)模要小于

　　工業(yè)領(lǐng)域，但卻能夠在各種場合以各種方式輔助病人護(hù)理和監(jiān)控：救護(hù)車，醫(yī)院和家庭護(hù)理

　　等。無論是在手術(shù)過程中，重癥監(jiān)護(hù)室，醫(yī)院復(fù)健護(hù)理，還是在家庭護(hù)理方面，都提供了有

　　效的方式以控制運(yùn)動、氣流、探測血壓以及用藥等挽救生命或者提高生命質(zhì)量。它主要用于

　　使用換向傳感器的醫(yī)療設(shè)備之中用于電機(jī)控制，比如呼吸機(jī)、輸液、胰島素和腎臟透析機(jī)等

　　方面的應(yīng)用；電磁編碼器霍爾傳感器用于注射泵中檢測流速以確定注射器是否為空和注射器

　　是否堵塞的（應(yīng)用于監(jiān)測血液再造系統(tǒng)、自動血樣分析系統(tǒng)）。德國卡塞爾大學(xué)科學(xué)家研制

　　的一種帶磁場的微型傳感器通過遙控牽引磁化納米生物分子，可將血液中極少量的特定蛋白

　　質(zhì)分子檢測出來，從而通過正常的血液分析取代脊髓液檢查。磁性傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的

　　另一個(gè)例子是用于準(zhǔn)備樣本的簡單離心機(jī)，它用來幫助控制小型電機(jī)，使其變得更加安靜和

　　可靠。在助聽器領(lǐng)域，巨磁阻傳感器IC （GMR）與霍爾及簧片開關(guān)競爭。

　　四、在無線一消費(fèi)領(lǐng)域市場誘人

　　隨著消費(fèi)電子在全球的風(fēng)靡，磁性傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用表現(xiàn)也十分強(qiáng)勁，絲毫不遜色。例如手機(jī)、筆記本電腦、電子玩具、電子羅盤等中都有著非常廣泛的應(yīng)用。MEMS傳感器與磁傳感器在應(yīng)用中互相促進(jìn)，這對于推動磁性傳感器在消費(fèi)電子市場的逐步增長起著一定貢獻(xiàn)。雖然磁阻傳感器發(fā)展歷程已經(jīng)很漫長，技術(shù)相對成熟，但僅作為電子羅盤的單獨(dú)應(yīng)用，在以前并不被人們很看好，而現(xiàn)在它與MEMS的結(jié)合，會在導(dǎo)航市場成為一個(gè)亮點(diǎn)。由于MEMS和磁阻傳感器在功能上可以互相補(bǔ)充，它們的結(jié)合使導(dǎo)航產(chǎn)品更加精準(zhǔn)。如果把陀螺儀、加速度和磁傳感器三種傳感器集成在一起，三者在功能上互相輔助，則構(gòu)成了功能更強(qiáng)大的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品。

　　在多軸測量電子羅盤中，磁性傳感器擔(dān)當(dāng)著重要部件的角色。而目前具備GPS系統(tǒng)的手機(jī)與平板電腦都會采取多軸測量電子羅盤做為標(biāo)配，這也讓磁性傳感器在無形之中搭上了消費(fèi)電子的快車。目前磁性傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用，還讓游戲控制器、筆記本、數(shù)碼相機(jī)等具有了地理標(biāo)簽功能。

　　五、在航空、航天、衛(wèi)星通信及軍事工業(yè)大顯身手

　　高靈敏度和低磁場的傳感器可以用在航空、航天及衛(wèi)星通信技術(shù)上。大家知道，在軍事工業(yè)中隨著吸波技術(shù)的發(fā)展，軍事物件可以通過覆蓋一層吸波材料而隱蔽，但是它們無論如何都會產(chǎn)生磁場，因此通過GMR磁場傳感器可以把隱蔽的物體找出來。GMR磁場傳感器可以應(yīng)用在衛(wèi)星上，用來探測地球表面上的物體和底下的礦藏分布。電子羅盤在武器／導(dǎo)彈導(dǎo)航（航位推測），航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備中功不可沒。如果在水雷或地雷上安裝磁性傳感器，由于坦克或者軍艦都是鋼鐵制造的，在它們接近（無須接觸目標(biāo)）時(shí)，傳感器就可以探測到磁場的變化使水雷或地雷爆炸，提高了殺傷力。美國海軍于20世紀(jì)80年代初開始研制Terfenol-D水下聲納，由永磁體產(chǎn)生偏磁場，螺線管產(chǎn)生交流磁場，隨著磁場的變化環(huán)就膨脹收縮將聲波發(fā)射出去，利用水聲傳播特性對水中目標(biāo)進(jìn)行傳感探測，用于搜索、測定、識別和跟蹤潛艇和其他水中目標(biāo)，進(jìn)行水聲對抗，水下戰(zhàn)術(shù)通信、導(dǎo)航和武器制導(dǎo)、保障艦艇、反潛飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)機(jī)動和水中武器的使用等。

　　六、在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用前景廣闊

　　環(huán)境保護(hù)的前提是對各個(gè)環(huán)境參數(shù)（溫度、氣壓、大氣成份、噪聲……．）的監(jiān)測，這里需要使用多種大量的傳感器。采用強(qiáng)磁致伸縮非晶磁彈微型磁傳感器和感應(yīng)式磁傳感器，可以同時(shí)測量真空或密閉空間的溫度和氣壓，而且不用接插件，可以遙測和遠(yuǎn)距離訪問。在食品包裝、環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)等方面，應(yīng)用前景也很廣闊。

　　七、在其它工業(yè)應(yīng)用方面也引人關(guān)注

　　在其它工業(yè)應(yīng)用方面，磁性傳感器可用于電腦服務(wù)器等機(jī)器的不間斷電源（UPS）、焊接系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、火車運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、非道路車輛和叉車。在許多測量50安培以下電流的應(yīng)用中，比如住宅太陽能逆變器應(yīng)用或小型UPS系統(tǒng)，使用簡單的resistive bar或分路（shunt）。但隨著所測電流強(qiáng)度的上升，shunt變得笨重和昂貴。在大型變頻電機(jī)等電流較高的應(yīng)用中，開環(huán)與閉環(huán)霍爾傳感器在一個(gè)小型封裝中使用霍爾效應(yīng)IC;也可以提高集成度，在封裝中包含一個(gè)專用集成電路。霍爾IC同樣用于工業(yè)洗衣機(jī)變頻器控制應(yīng)用之中。除了電流傳感器，獨(dú)立霍爾效應(yīng)IC或磁阻傳感器開關(guān)也存在規(guī)模一定的市場，這些器件用于電機(jī)整流，以降低紋波和改善性能，或者用于位置測量等…。