GMR磁场传感器

GMR效应

　　一、GMR效应的简介

　　2007年诺贝尔物理学奖划分授予来自德国于利希亥姆霍兹研究中心的彼得·格林贝格尔(Peter Gruenberg)和来自法国巴黎第十一大学的阿尔贝·费尔(Albert Fert)教授。这两位获奖者在上世纪80年月自力举行巨磁阻（GMR）研究，因相继发明巨磁阻效应而双双荣获今年度诺贝尔物理学奖。外部磁场通过巨磁阻效应可使磁性子料薄层的电阻爆发重大转变。GMR效应的发明为结构紧凑的盘算机硬盘的全新读取磁头的开发铺平了蹊径，可将小我私家盘算机、便携式音乐播放器（MP3播放器）和摄像机的硬盘存储容量提高至数吉字节。

　　GMR效应是由几纳米厚的多层金属膜的磁场爆发的电阻转变导致的。简朴来说，该金属膜由具备牢靠的稳固磁化偏向（参考偏向）的参考层和磁化偏向由外部磁场决议（如指南针）的传感层组成。传感层和参考层通过仅为几个原子厚的铜层离隔，从而爆发GMR效应。施加的磁场和传感器参考层之间的角度决议了金属膜的电阻转变。

　　二、GMR效应的生长状态

　　巨磁电阻效应自觉现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视，GMR效应已成为目今凝聚态物理5个热门之一。1994年，美国的NVE公司首先实现巨磁电阻（GMR）效应的工业化，并销售巨磁电阻磁场传感器。1998年，美国的IBM公司乐成地把GMR效应应用在盘算机硬盘驱动器上，研制出巨磁电阻（GMR）磁头。巨磁电阻（GMR）磁头的应用发动了盘算机工业的迅速生长，突破了信息高速公路图像转达存储的瓶颈，现在存储密度已高达56GB/平方英寸。天下GMR磁头的市场总额每年400亿美元。更令人可喜的是，2001年美国的摩托罗拉公司宣布乐成研制出GMR磁随机读取存储器，这种存储器将预示1000亿美元的市场容量。随着人们对GMR效应深入的研究和开发使用，一门以研究电子自旋作用为主同时开发相关特殊用途器件的新学科—自旋子学逐渐兴起起来。最近，美国自然科学基金会（NSF）提出：自旋子学科的生长及应用将预示着第四次工业革命的到来。通过香山科学聚会，我国制订了GMR高手艺研究开发妄想，并把GMR效应的研究及应用开发列为我国将要重点生长的七个领域之一。可是由于手艺、资金及装备等诸多因素，GMR的研究在海内还局限于实验室的水平。

GMR磁场传感器的优势所在

　　GMR磁场传感器和光电等传感器相比，具有功耗小、可靠性高、体积小、能事情于卑劣情形等优点。这些都是现有古板传感器所不可相比的。另一方面，在制造本钱上，GMR磁场传感器并不高于其它通俗传感器，甚至大大低于某些传感器。

GMR磁场传感器的事情原理

　　磁电阻（GMR）效应是1988年发明的一种磁致电阻效应，由于相关于古板的磁电阻效应大一个数目级以上，因此名为巨磁电阻(Giant Magnetoresistanc)，简称GMR。　　1. 巨磁电阻（GMR）原理，见图一。

　　巨磁电阻（GMR）效应来自于载流电子的差别自旋状态与磁场的作用差别，因而导致的电阻值的转变。这种效应只有在纳米标准的薄膜结构中才华视察出来。赋以特殊的结构设计这种效应还可以调解以顺应州差别的性能需要。

巨磁电阻（GMR）原理

　　反铁磁耦适时（外加磁场为0）处于高阻态的导电输出特征，电阻：R1/2

巨磁电阻（GMR）原理

　　外加磁场使该磁性多层薄膜处于饱和状态时（相邻磁性层磁矩平行漫衍），而电阻处于低阻态的导电输出特征，电阻：R2*R3/（R2+R3），R2>R1>R3

　　图1、使用两流模子来诠释GMR的机制

　　2. 巨磁电阻（GMR）传感器原理，见图二。

　　巨磁电阻（GMR）传感器将四个巨磁电阻（GMR）组成惠斯登电桥结构，该结构可以镌汰外界情形对传感器输出稳固性的影响，增添传感器迅速度。事情时图中“电流输入端”接5V~20V的稳压电压，“输出端”在外磁场作用下即输出电压信号。

图2（1）：惠斯凳电桥在磁场传感器应用中的原理

图2（2）：惠斯凳电桥中R1和R2在外加磁场作用下的转变情形

　　3. 巨磁电阻（GMR）传感器性能，见图三，表一。

　　图三所示为巨磁电阻（GMR）传感器在外场中的性能曲线，批注该传感器在±200Oe的磁场规模类有较好的线性。

图3：巨磁电阻（GMR）在外加磁场下的性能曲线

　　表一各公司巨磁电阻（GMR）传感器性能比照

　　4.产品使用说明

　　a . 巨磁电阻（GMR）传感器作为一种有源器件，其事情必需提供5~20V的直流电源。并且该电源的稳固性直接影响传感器的测试精度，因此要求以稳压电源提供；使用中也应阻止过电压供电；

　　b .巨磁电阻（GMR）传感器作为一种高精度的磁敏传感器，对使用磁情形也有一定的要求，其型号选用应凭证使用情形的磁场巨细来决议；

　　c. 巨磁电阻（GMR）传感器对磁场的迅速度与偏向有关。其形状结构上标注的敏感轴为传感器对磁场最为迅速的偏向，

　　拜见图四。当不平行时，迅速度降低，其关系为

　　Sθ=S0COSθ

　　其中Sθ为磁场偏向与传感器敏感轴间的夹角为θ时的迅速度，S0为磁场偏向与传感器敏感轴平行时的迅速度。

图4 巨磁电阻（GMR）传感器形状结构及接线图

　　d. 关于输出特征相关于外磁场为偶函数时，则将传感器作为丈量使用时需要外加偏置磁场。理想情形偏置磁场的巨细为传感器坚持线性规模磁场的1/2。

GMR磁场传感器的应用剖析

　　1、GMR磁场传感器可用来导航及用于高速公路的车辆监控系统　　地球是一个大磁铁，地球外貌的磁场约莫为0.5Oe，地磁场平行地球外貌并始终指向北方。使用GMR薄膜可做成用来探测地磁场的高级罗盘。当可以同时探测平面内磁场X和Y偏向分量的GMR磁场传感器牢靠在交通工具上，瞬间航向与地球北极的夹角可通过GMR传感器的X和Y偏向的电压相对改变而确定下来。图3显示这种传感器的详细事情原理。GMR磁场传感器随汽船的偏向改变而改变其和地磁场的夹角，相对来说，也可以等效为地磁场的偏向在改变。我们已研制出能够探测磁场X和Y偏向分量的集成GMR传感器。此传感器可作为罗盘并应用在种种交通工具上作为导航装置。美国的NVE公司已经把GMR传感器用在车辆的交通控制系统。我们知道，州差别的车辆（物体）在外界都有其自身特征的磁场漫衍。通过用GMR弱场传感器可探测种种车辆的磁场漫衍进而确定该车辆的型号。使用GMR传感器不但可探测静止车辆的状态进而用在交通灯处的交通控制和停车场处停车位置的监控，并且也可探测移动车辆的情形。详细来说，安排在高速公路边的GMR传感器可以盘算和区别通过传感器的车辆。若是同时脱离安排两个GMR传感器，还可以探测出通过车辆的速率和车辆的长度，虽然GMR也可用在公路的收费亭，从而实现收费的自动控制。另外高迅速度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通讯手艺上。各人知道，在军事工业中随着吸波手艺的生长，军事物件可以通过笼罩一层吸波质料而隐藏，可是它们无论怎样都会爆发磁场，因此通过GMR磁场传感器可以把隐藏的物体找出来。虽然，GMR磁场传感器可以应用在卫星上，用来探测地球外貌上的物体和底下的矿藏漫衍。

磁场传感器的导航原理

　　2、GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流及用作隔离器和电子线路中的反响系统（开关电源）

　　众所周知，通电导线周围将爆发磁场，其磁场的强弱与通电电流的巨细成正比。若将GMR磁场传感器及环形软磁集磁通器安排在通电导线周围，则由GMR传感器的输出电压可以丈量导线中通过的电流。我们已使用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，并研制出线性丈量规模正负200Oe的惠斯通电桥传感器。使用这种传感器可探测电流高达10,000安培的直流和交流。现在有三种步伐可用来探测电流：电阻短路的步伐，其弱点在于引入一电压降和这种要领不可提供上下级的隔离。电流转换器则基于安培定理，可是其仅仅用来探测直流。GMR磁场传感器不但可用来探测直流和交流并且还可包管上下级隔离。随着半导体集成手艺的生长，现在已把GMR薄膜传感器和集成线路板连系在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了迅速度和降低了本钱。另外电流探测原理，现在已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及高电流情形下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级，在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号，因此上下级而不相互滋扰。这种探测电流巨细的隔离器已被葡萄牙的一家公司所接纳。至于开关电源，我们使用两次沉积自旋阀多层膜的步伐，已研制出可探测微安级的交直流及探测磁场规模在正负20Oe的GMR磁场传感器。并且与西班牙的一所大学相助，乐成地把这种传感器用在开关电源线路中作为反响系统，可改善其频率输出特征高达1MHz。至于在无刷直流电机的应用：各人知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来很是欠好的影响，好比使用寿命短、噪音大、有火花、爆发滋扰电磁波等。若是用GMR传感器取代电机的摩擦整流子，那么就可以阻止因电刷摩擦而带来的影响，并且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳固性和可靠性都很是高。另外，这种无刷电机转矩-重量较量大，速率转矩特征的线性度较量好。图.给出了丈量电流的原理图。

电撒播感器的事情原理

　　3、GMR传感器可用来丈量细小的位移及其相关的应用

　　磁场传感器来探测被测物体的位移的原理是通过使用一永磁铁作为参照物，参照物相关于磁传感器的运动可等效为磁敏器件在匀称梯度的磁场中的移动，因此磁场传感器的输出则反应着磁场传感器或永磁铁的位移量。下图给出一圆柱磁钢及其周围的磁场漫衍。我们已研制出一种能同时探测X—Y偏向位移的磁场传感器。由于接纳集成手艺，可使该磁场传感器小型化，同时提高了精度。这种传感器已乐成运用在机械人及机械手的控制系统，并使其智能化和拿取、安排物体。另外也使机械人具有识别物体的功效。这种位移传感器也可用在电梯及响应的升降系统作为控制系统。别的，可以用GMR位移传感器刷新某些古板的工业仪表，扩大其应用规模。例如，浮子流量计是一种获得普遍应用的非电量仪表，若是改用磁性浮子和外配一个GMR磁位移传感器，就能制成一个有电压输出的数字型位移传感器。在汽车发念头中，为了实现电子燃烧，往往需要细密结实的位移传感器来丈量发念头主轴的准确转角，决议燃烧时间。以前多用霍尔元件，现在完全可以用GMR替换，从而提高事情温度规模和降低磁场触发磁场的强度。GMR位移传感器也可用在细密机床上来提高机械加工的精度�；钊谄字械脑硕樾我部梢酝ü鼼MR位移传感器给探测出来。

位移传感器的事情原理

　　4、GMR角度位移及角速率传感器和相关应用

　　为了丈量一物体的转动角度的巨细，往往可以通过探测磁钢因转动而造成其磁场的偏向相关于牢靠的GMR磁场传感器的改变，我们研制出的可探测平面内磁场偏向和巨细的GMR磁场传感器可以探测相对其转动的磁钢的转动角度。当一块磁铁牢靠在转动轮子的边沿而GMR磁场传感器牢靠在轮子的旁边并坚持一定的距离时，参考磁铁随轮子而转动，每当轮子转动一圈，就会使爆发一电压脉冲输出。下图给出角速率传感器的原理图。我们使用集成手艺已研制出专用来丈量角速率即转速的数字式自旋阀GMR磁传感器。该磁敏传感器可探测种种情形下的角速率。该类GMR磁场传感器可用在种种远程抄表系统，在这里包括了煤气、水、电表的数字式的处置惩罚。随着自动化水平的提高，关于数字式的种种仪表的需求量越来越大。我们已与辽宁万恒科技有限公司建设了联系。该公司需要大宗数字式GMR磁传感器应用在远程抄表系统。在汽车（摩托）工业中，GMR磁场传感器可用在刹车系统（ABS），通过探测角速率进而起到制行动用。不久我国将加入世贸组织（WTO），因此汽车（摩托车）的防爆刹车系统的研制和使用简直是势在必行。至于电机马达行业，为了获得稳固转速的事情状态，转速的丈量和控制需要用GMR传感器来丈量角速率并通过反响系统可获得稳固的角速率输出。同时，GMR角速率传感器也可用在洗衣机行业。随着机算机的存储密度的提高，对伺服系统的要求也在提高，关于磁盘转速的控制的精度也在提高，因此磁场角速率传感器将会应用在该领域。另外，使用GMR薄膜质料可研制出种种用途的磁性编码器。磁性编码器的优点在于不易受灰尘、结露、影响、对湿润气体和污染不敏感，同时其结构简朴紧凑，可高速运转，并且其响应速率快（纳秒级），体积比光学式编码器小，而本钱更低，且易将多个元件准确地集成，比用光学元件和半导体霍尔磁敏元件更容易组成新功效器件和多功效器件。由于磁性编码用具有上述诸多优点，因而近年来在高精度丈量控制领域中的应用一直增添，其市场需求量每年以20-30%的速率增添。在高速率、高精度、小型化、集成化及长寿命的要求下，在强烈的市场竞争中，磁性编码器以其突出特点而独具优势，成为生长高手艺的要害。

角速率传感器的原理图

　　5、GMR医用及生物磁场传感器

　　人体之中保存着种种形式的机械运动，它们是机体完成须要的心理功效的条件和包管，因此检测这些生物机械运动，无论对基础医学照旧对临床医学来讲，都具有十分主要的意义。以前，由于必需使用体积大和功率高、价钱贵的超导量子磁强计而局限在方面医学的生长。高迅速度及集成化的GMR磁敏传感器的泛起为这些机械运动和病变部位的非接触式的探测提供了利便，并推动其生长。下面先容几种特殊在此方面的应用。磁性生物传感器的原理如下图所示：首先种种各样的细胞、卵白质、抗体、病原体、病毒、DNA可以用纳米级的磁性小颗粒来标记，也就是首先是这些被探测的工具磁性化，进而在用高迅速度的GMR磁场传感器来探测它们的详细位置。这种也可用于医学及临床剖析、DNA剖析、情形污染监测等领域。高迅速度的GMR传感器也可用在用来脑电图、心机图等的高精度的仪器装备上，来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。使用GMR磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的要领，这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳征象，和诊断某些眼科疾病。

生物磁性传感器的事情原理

　　6、GMR磁敏传感器在磁性介质的探测和在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用

　　磁场传感器可以探测差别的磁性介质。在这种应用中，磁性介质携带着要被探测的信息。磁性介质是有非磁性的基体和磁性子料组成，磁性子料安排在基体内或基体的外貌。当携带着信息的磁性介质扫过GMR磁场传感器时，则特有的信息被探测出来。传感器的输出依赖于磁性介质的性能、事情误差的距离和传感器的迅速度。现在主要用在磁性墨迹的识别、磁性编码的读出、细小磁性微粒的探测、介质磁性签字的判别。

　　7、GMR磁敏加速率传感器

　　加速率传感器是通过丈量被加速运动物体的惯性力来确定加速率的丈量装置。凭证牛顿定律，被加速物体有一种惯性力，其巨细即是它的质量和加速率的乘积，而其偏向与加速率偏向相反。由于这种惯性力的保存，使被加速系统中悬挂的弹性片爆发弯曲，其弯曲量可由GMR磁敏器件举行丈量，从而获得系统的加速率。

GMR磁场传感器的生长状态

　　GMR磁场传感器由于其迅速度高、热稳固性好、探测磁场规模宽而完全可取代霍尔及磁阻（AMR）元件，进而普遍应用在信息、电机、电子电力、能源治理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。　　磁场传感器通过探测交直流磁场，交直流电流，位移及角速率等物理量而运用于信息、自动化控制及电力电子等行业。信息工业部“十五”妄想和二00五年远景目的明确指出：“加入世贸（WTO）后，关于我国基本上照旧‘外壳工业’的信息产品制造业来说，将面临严肃的磨练和挑战”。怎样拥有自主知识产权，掌握焦点手艺是每个企业急需解决的问题。

泉源：捷配电子

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