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機械工業雜誌
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摘要
本文旨在開發高靈敏度磁感測技術，以突破現有磁感測器的性能限制，並拓展其在各領域的應用。以高靈敏度為開發目標，透過對於現有感測器的理論分析、材料結構與實驗設計，發展創新的技術，以達成高靈敏度磁感測技術。運用基於磁穿隧接合堆疊結構與磁通量導引結構等技術，所研究的感測器在室溫零場下的靈敏度高達4.66×104 %/mT，偵測率估計在1 Hz時約為23 pT/Hz1/2，100 Hz 時為2.3 pT/Hz1/2。整體而言，所研究的磁阻感測器在室溫高靈敏度低場測量方面具有巨大的應用潛力。本研究成果將有助於推動磁感測技術在汽車工業、導航、生物醫學、材料科學等領域的應用。
Abstract
This article aims to develop high-sensitivity magnetic sensing technology to break through the performance limitations of existing magnetic sensors and expand their applications in various fields. With high sensitivity as the development goal, we develop innovative technologies through theoretical analysis, material structure and experimental design of existing sensors to achieve high-sensitivity magnetic sensing technology. Using technologies such as magnetic tunneling junction stacking structure and magnetic flux guiding structure, the sensor studied has a sensitivity of up to 4.66×104 %/mT at room temperature and zero field, and the detectivity is estimated to be about 23 pT/Hz1/2 at 1 Hz and about 2.3 pT/Hz1/2 at 100 Hz. Overall, the studied magnetoresistive sensor has great application potential in high-sensitivity low-field measurement at room temperature. The research results will help promote the application of magnetic sensing technology in the automotive industry, navigation, biomedicine, materials science and other fields.
前言
磁感測器在字面上可分為兩種意義，一種是指可用來測量磁場的感測器。另外一種是指利用磁性材料或原理製成的感測器，可用來測量磁性或非磁性量。因此，如果以第二種來說，磁感測器的用途非常的廣泛，可用來量測溫度、磁場、壓力、流量、位置、電流、速度、高頻、角度等功能。磁感測器可根據物理現象分成以下主要幾種，電磁感應、霍爾效應（ Hall effect） 、穿隧磁阻（ Tunnel Magnetoresistance, TMR） 、巨磁阻（ Giant Magnetoresistance, GMR） 、異向性磁阻（ Anisotropic Magnetoresistance, AMR） 和巨磁阻抗（ Giant Magnetoimpedance, GMI） 。磁感測器中主要為霍爾感測器，迄今為止大多數生產的磁感測器都是基於霍爾效應的裝置。此外，霍爾和磁阻感測器佔據磁感測器市場90 %以上。
在磁感測器的應用方面，可以從靈敏度與領域兩種角度來看。磁感測器的靈敏度通常依據感測器能夠檢測到的磁場強度來分類如表1[1]，分成高靈敏度（ 10-5 G或1 nT以下） 、中靈敏度（ 10-5 G ~ 1 G 或1 nT ~ 105 nT） 、低靈敏度（ 1 G 或105 nT以上） 。其中，低靈敏度的應用案例為電流感測，中靈敏度為磁羅盤，而高靈敏度為磁異常檢測。在領域方面，磁感測器可應用在汽車工業、導航、生物醫學和穿戴裝置等。依據感測器的偵測方式，汽車的感測器大致可分為溫度、壓力、位置、動作、速度、光達六大類型。其中，在磁感測器方面，目前在一輛汽車上已安裝10個或更多的磁感測器。隨著人工智慧的發展，以及汽車智慧化的要求，安裝在汽車上的磁感測器數量愈來愈多。這些磁感測器用於檢測車速/車輪的速度、油門踏板的位置、電池的電流、凸輪和曲軸的旋轉角度等等。在導航應用方面，近年由於導航用的GPS容易受到干擾，因此需要發展一種磁感測器，以在沒有GPS的情況下利用地磁進行導航。對於生物醫學，磁感測器可以用來診斷心臟疾病，記錄心磁圖、腦磁圖，並進行腫瘤檢測、病原體DNA檢測。除了上述主要幾種磁感測器之外，直流超導量子干涉裝置（ Superconducting QUantum Interference Device, SQUID） 也是一種磁感測器，可用於記錄心磁圖。超導量子干涉裝置的靈敏度非常高，只需幾天的平均測量時間就能測量低至 5×10−18 T 的磁場。但是，由於超導量子干涉裝置無法直接在室溫使用，需要冷卻到低溫，因此它們的成本和複雜性也很高。此外，磁感測器也可依據柔軟度分成固態型與柔性型，因此除了固態型磁感測器，近年來也開發柔性磁感測器，可以應用在穿戴裝置。
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2025年06月號
(單篇費用：參考材化所定價)