سنسورهای مغناطیسی، میدان‌های مغناطیسی را شناسایی و اندازه گیری می‌کنند و معمولاً در ناوبری، روباتیک و اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شوند.
سنسورهای مغناطیسی سنسورهایی هستند که میدان‌های مغناطیسی را شناسایی و اندازه گیری می‌کنند. آنها بر اساس اصول مغناطیس و تعامل بین میدان‌های مغناطیسی و موادی خاص کار می‌کنند. این سنسورها تغییرات میدان مغناطیسی را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کنند. از ابتدایی‌ترین نمونه‌های میدان مغناطیسی میتوان به میدان مغناطیسی زمین و میدان مغناطیسی آهنربا اشاره کرد. حسگرهای مغناطیسی در واقع «اندازه این میدان‌های مغناطیسی» را که غیرقابل مشاهده هستند به «سیگنال‌های الکتریکی قابل مشاهده» تبدیل می‌کنند.
انواع مختلفی از سنسورهای مغناطیسی وجود دارد، از جمله سنسورهای اثر هال، سنسورهای مغناطیسی مقاومتی و سنسورهای فلاکس گیت.
سنسورهای اثرهال
سنسور اثرهال یکی از انواع سنسورهای مغناطیسی است که می‌تواند برای تشخیص قدرت و جهت میدان مغناطیسی استفاده شود. برای انجام این کار، این سنسورها از اثر هال استفاده می‌کنند، اثر هال بیانگر به وجود آمدن یک اختلاف ولتاژ در یک هادی الکتریکی زمانی که تحت یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان قرار می‌گیرد، میباشد.
در سال 1879، دانشمند ادوین هال کشف کرد که اگر یک آهنربا عمود بر رسانایی با جریان ثابت قرار گیرد، الکترون‌هایی که در هادی جریان دارند به یک طرف کشیده می‌شوند و در نتیجه اختلاف پتانسیل در بار (یعنی ولتاژ) ایجاد می‌شود. بنابراین، اثر هال نشان دهنده حضور و بزرگی یک میدان مغناطیسی در نزدیکی یک هادی است. سنسورهای اثر هال معمولاً از یک ماده نیمه هادی با یک هادی حامل جریان و یک میدان مغناطیسی متقاطع تشکیل شده‌اند. همانطور که میدان مغناطیسی تغییر میکند، ولتاژی را در سراسر هادی القا میکند که میتوان به منظور تعیین قدرت و جهت میدان مغناطیسی، آن را اندازه گیری کرد.
هنگامی که یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان اعمال می‌شود، باعث می‌شود حامل‌های بار آزاد (الکترونها یا سوراخ‌ها) در ماده نیمه هادی به دلیل نیروی لورنتس منحرف شوند (در ادامه به طور خلاصه در مورد نیروی لورنتس صحبت خواهیم کرد).
این انحراف باعث ایجاد اختلاف ولتاژی در سرتاسر هادی حامل جریان می‌شود که به ولتاژ هال معروف است.
با اندازه گیری این ولتاژ هال میتوان قدرت و جهت میدان مغناطیسی را تعیین کرد.
نام این قانون برگرفته از نام هندریک لورنتس فیزیکدان هلندی است که اولین بار درباره این نیرو صحبت کرد. بر این اساس، نیروی لورنتس نیرویی است که بر یک ذره باردار در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی وارد می‌شود.
نیروی لورنتس (F) که بر ذره باردار با بار q که با سرعت v در یک میدان مغناطیسی B حرکت میکند را میتوان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد:
که در آن:
- F نیروی الکترومغناطیسی وارد بر بار آزمایشی q است
- q بار الکتریکی ذره و
- v سرعت ذره بوده و
- E به میدان الکتریکی خارجی اشاره دارد
- B نیز میدان مغناطیسی است
سنسورهای اثر هال برای تشخیص متغیرهایی مانند نزدیکی، سرعت یا جابجایی یک سیستم مکانیکی استفاده می‌شوند. یکی از مزایای سنسورهای اثر هال این است که به هیچ تماسی نیاز ندارند. آنها مجبور نیستند برای اندازه‌گیری و سنجش میدان مغناطیسی با یک عنصر فیزیکی در تماس باشند. همچنین می‌توانند سیگنال دیجیتال (روشن و خاموش) یا آنالوگ (پیوسته) را بسته به طراحی و عملکرد مورد نظر، تولید کنند.
سنسورهای مغناطیسی مقاومتی (Magnetoresistive Sensors)
سنسورهای مغناطیسی مقاومتی بر اساس خاصیت موادی به نام مغنامقاومت ساخته شده‌اند. در این مواد مقاومت الکتریکی در پاسخ به میدان مغناطیسی، تغییر میکند. دو نوع متداول از سنسورهای مغناطیسی مقاومتی وجود دارد: سنسورهای مغناطیسی مقاومتی غول پیکر (GMR) و سنسورهای مغناطیسی مقاومتی ناهمسانگرد (AMR). این سنسورها از لایه های نازکی از مواد مغناطیسی و غیرمغناطیسی استفاده می‌کنند و با تغییر میدان مغناطیسی، مقاومت سنسور نیز تغییر میکند. این تغییر مقاومت را معمولاً با استفاده از مدار پل وتستون به منظور تعیین قدرت و جهت میدان مغناطیسی میتوان اندازه‌گیری کرد.
سنسور مغناطیسی مقاومتی غول پیکر (Giant magnetoresistive (GMR))
سنسورهای GMR بر اساس اثر GMR ساخته شده‌اند که اولین بار در سال 1988 توسط آلبرت فرت و پیتر گرونبرگ مشاهده شد. اثر GMR در ساختار نوارهای نازک چندلایه خاصی که از لایه‌های فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی متناوب تشکیل شده‌اند، رخ می‌دهد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی عمود بر لایه‌ها اعمال شود، مقاومت الکتریکی سازه تغییر میکند.
در سنسورهای GMR، دسته‌ای از این لایه‌های فرومغناطیسی و غیرمغناطیسی در یک المان کوچک روی هم انباشته می‌شوند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال می‌شود، باعث می‌شود که مغناطیس لایه‌های فرومغناطیسی در یک دریف قرارگیرند یا بچرخند و بر مقاومت الکتریکی دستگاه تأثیر بگذارند.
مغناطش هر یک از لایه‌های فرومغناطیسی در معرض پراکندگی الکترونها هنگام عبور از لایه میانی قرار می‌گیرد.
اگر جهت اسپین الکترون‌هایی که از لایه فرومغناطیسی عبور می‌کنند مخالف مغناطش شدن ماده فرومغناطیسی باشد، اثر برهمکنش بسیار ضعیف تر از زمانی خواهد بود که جهت اسپین، موازی مغناطیس باشد.
در نتیجه، هنگامی که جهت مغناطش مواد فرومغناطیسی بالا و پایین موازی باشد، مقاومت در برابر جریانی که در امتداد سطح مرزی ماده رسانا جریان دارد کاهش می‌یابد، در حالی که اگر جهت مغناطیسی نامتوازی باشد،مقاومت افزایش می‌یابد.
این تغییر در مقاومت را میتوان اندازه گیری کرد و میتوان به کمک آن میدان مغناطیسی را تشخیص داده و کمی سازی کرد.
مغناطش موازی ← مقاومت کم
مغناظش نامتوازی ← مقاومت زیاد
سنسورهای GMR بسیار حساس هستند و عملکرد بهتری نسبت به سنسورهای مغناطیسی سنتی دارند. این سنسورها می‌توانند حتی میدان‌های مغناطیسی ضعیف را هم تشخیص دهند و دامنه کاری گسترده‌ای دارند. حسگرهای GMR به دلیل اندازه کوچک و توان مصرفی کم، در زمینه‌های مختلف کاربرد دارند، از جمله درهارد دیسک‌ها، سنسورهای میدان مغناطیسی مورد استفاده در خودروها، قطب‌نماهای موجود در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف، و سنسورهای مجاورت و موقعیت و…
سنسورهای مغناطیسی مقاومتی ناهمسانگرد (AMR)
سنسورهای مغناطیسی مقاومت ناهمسانگرد (AMR) نوع دیگری از سنسورهای مغناطیسی هستند که از اثر مقاومت مغناطیسی ناهمسانگرد برای تشخیص و اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند. سنسورهای AMR نیز همانند سنسورهای غول پیکر مغناطیسی مقاومتی (GMR) به طور گسترده در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
اثر AMR در حقیقت بیانگر تغییر در مقاومت یک ماده در هنگام قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی میباشد. در یک سنسور AMR، یک لایه نازک با مقاومت الکتریکی ناهمسانگرد از مواد فرومغناطیسی مانند آلیاژهای نیکل-آهن ساخته می‌شود. مقاومت این لایه نازک، در پاسخ به جهت میدان مغناطیسی اعمال شده به آن تغییر میکند.
هنگامی که میدان مغناطیسی وجود ندارد، مقاومت سنسور AMR در بالاترین میزان خود است. هنگامی که جهت مغناطیسی در یک ماده فرومغناطیسی موازی با جریان باشد، اوربیتال الکترون بر جریان عمود می‌شود که مقاومت را به حداکثر می‌رساند. این امر پراکندگی الکترونها را افزایش می‌دهد و باعث افزایش مقاومت الکتریکی می‌شود.
هنگامی که جهت مغناطیسی عمود بر جریان باشد، اوربیتال الکترون نسبت به جریان افقی می‌شود و پراکندگی کاهش می‌یابد که مقاومت را به حداقل می‌رساند.
مغناطش عمودی ← مقاومت کم
مغناظش موازی ← مقاومت زیاد
سنسورهای AMR به دلیل حساسیت بالا و توان مصرفی کم خود شناخته شده‌اند. آنها می‌توانند هم میدان‌های مغناطیسی قوی و هم میدان‌های مغناطیسی ضعیف را به دقت تشخیص داده و اندازه‌گیری کنند. علاوه بر این، سنسورهای AMR دارای محدوده خطی گسترده‌ای هستند و می‌توانند در محدوده دمایی وسیعی کار کنند.
این ویژگی‌ها سنسورهای AMR را برای کاربردهای مختلف مناسب میکند. آنها معمولاً در قطب نماها، دستگاه‌های سنجش موقعیت و سرعت، سیستم‌های ناوبری اتوماتیک و تشخیص میدان مغناطیسی در دستگاه‌های پزشکی استفاده می‌شوند.
سنسورهای فلاکس گیت (Fluxgate)
سنسورهای فلاکس گیت بر اساس اصل شار مغناطیسی یا حلقه هیسترزیس مغناطیسی کار می‌کنند. این حسگرها معمولاً از یک هسته فرومغناطیسی تشکیل شده‌اند که توسط سیم پیچ‌هایی احاطه شده است. هنگامی که یک جریان متناوب به سیم پیچ‌ها اعمال می‌شود، باعث می‌شود که میدان مغناطیسی هسته به طور مداوم معکوس شود. هر میدان مغناطیسی خارجی در نزدیکی حسگر باعث ایجاد اعوجاج در میدان هسته می‌شود و در نتیجه سیگنال ثانویه قابل اندازه گیری‌ای ایجاد می‌شود. با تجزیه و تحلیل این سیگنال ثانویه میتوان قدرت و جهت میدان مغناطیسی خارجی را تعیین کرد.