原创 干货 | 什么是磁传感器？最常用的磁传感器类型及应用

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。

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。

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【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。