磁传感器-发展历史及测量机理

1、1988年，法国巴黎大学Fert教授领导的研究小组首先在Fe/Cr金属多层膜中发现巨磁电阻效应（Gia nt mag neto resista nee effect，简称 GMR效应）以来，与电子自旋相关的研究 成为新的研究热点，各种基于GMR效应的磁传感器的研究受到人们的普遍关注。1991年，B. Dieny等人提出了 铁磁层/非磁隔离层/铁磁层/反铁磁层 ”的自旋阀结 构，并首先在“NiF/Cu/NiFe/FeMn自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应，这种结构可以被广泛的应用于各种高灵敏度磁传感器和高密度存储技术中。1994年，美国的NVE公司首先实现巨磁电阻 （GMR）效应的产业化，并

2、销售巨磁电阻 磁场传感器。1998年，美国的IBM公司成功地把 GMR效应应用在计算机硬盘驱动器上， 研制出巨磁电阻（GMR）磁头。巨磁电阻（GMR）磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息高速公路图像传递存储的瓶颈，目前存储密度已高达 56GB/平方英寸。世界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成功研制出GMR磁随机读取存储器，这种存储器将预示 1 000亿美元的市场容量。随着人们对GMR效应深入的研究和开发利用， 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 一一自旋子学逐渐兴起起来。美国自然科学基金会（NSF）

3、提出：自旋子学科的发展及应用将预示着第四次工业革命的到来。通过香山科学会议，我国制定了GMR高技术研究开发计划，并把GMR效应的研究及应用开发列为我国将要重点发展的七个领域之一。由于技术和设备的限制， 能生产GMR传感器的公司非常少。清华大学微电子所与深圳华夏磁电子公司合作生产的各种开关式应用传 感器在验钞机、齿轮传感方面已经拥有一定的市场但是由于技术、资金及设备等诸多因素， GMR的研究在国内还局限于实验室的水平。巨磁电阻（GMR）传感器芯片由于其灵敏度高、热稳定性好而完全可取代霍尔及磁阻（AMR）元件，进而广泛应用在信息、电机、电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工 业自动控制等领域。这

4、些高灵敏度磁传感器大部分用于工业自动化和汽车工业中，包括角度传感器，位移传感器和无接触式转速传感器等。这些GMR传感器具有鲁棒性高、可实现非接触式测量、能工作于恶劣环境等优点，它们在工业自动化和汽车工业中的地位越来越高。1 .巨磁电阻（GMR）传感器的应用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，地球表面的磁场大约为0.50e,地磁场平行地球表面并始终指向北方。利用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方向分量的GMR磁场传感器固定在交通工具上，瞬间航向与地球北极的夹角可通过GMR传感器的X和Y方向的电压相对改变而确定下来。图

5、1显示这种传感器的具体工作原理。GMR磁场传感器随轮船的方向改变而改变其和地磁场的夹角，相对来说，也可以等效 为地磁场的方向在改变，已研制出能够探测磁场X和Y方向分量的集成 GMR传感器。此传感器可作为罗盘并应用在各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。各种不同的车辆(物体)在外界都有其自身特征的磁场分布。通过用GMR弱场传感器可探测各种车辆的磁场分布进而确定该车辆的型号。利用GMR传感器不仅可探测静止车辆的状况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， 而且也可探测移动车辆的情况。具体来说，放置在高速公路边的GMR传感器可以计算和区别通

6、过传感器的车辆。如果同时分开放置两个GMR传感器，还可以探测出通过车辆的速度和车辆的长度，当然 GMR也可用在公路的收费亭，从而实现收费的自动控制。另外高灵敏 度和低磁场的传感器可以用在航空、航天及卫星通信技术上。大家知道，在军事工业中随着吸波技术的发展，军事物件可以通过覆盖一层吸波材料而隐蔽，但是它们无论如何都会产生磁场，因此通过 GMR磁场传感器可以把隐蔽的物体找出来。当然，GMR磁场传感器可以应用在卫星上，用来探测地球表面上的物体和底下的矿藏分布。2) GMR磁场传感器可来探测 DC、AC电流众所周知，通电导线周围将产生磁场，其磁场的强弱与通电电流的大小成正比。若将 GMR磁场传感器及环

7、形软磁集磁通器放置在通电导线附近，则由GMR传感器的输出电压可以测量导线中通过的电流。利用反铁磁耦合的 FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，并研制线性测 量范围正负2000e的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10000安培的直流和交流，GMR磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展，目前已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了灵敏度和降低了成本。另外电流探测原理，目前已经用作隔离器、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况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一

8、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干扰。 这种探测电流大小的隔离器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于开关电源，利用两次沉积自旋阀多层膜的办法，研制可探测微安级的交直流及探测磁场范围在正负20 Oe的GMR磁场传感器。西班牙的一所大学成功地把这种传感器用在开关电源线路 中作为反馈系统，可改善其频率输出特性高达1MHz。用GMR传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和可靠性都非常高。另外，这种无刷电机转矩-重量比较大，速度转矩特性的线性度比较好。图2给出了测量电流的原理图。

9、图2电流传感器的工作原理3) GMR传感器可用来测量微小的位移GMR磁场传感器来探测被测物体的位移的原理是通过利用一永磁铁作为参照物，参照物相对于磁传感器的运动可等效为磁敏器件在均匀梯度的磁场中的移动，因此磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。图3给出一圆柱磁钢及其周围的磁场分布。X万叵I图3位移传感器的工作原理目前，已研制一种能同时探测 XY方向位移的磁场传感器。由于采用集成技术，可使 该磁场传感器小型化，同时提高了精度。这种传感器已成功运用在机器人及机械手的控制系 统，并使其智能化和拿取、放置物体。另外也使机器人具有识别物体的功能。这种位移传感 器也可用在电梯及相应的升降系统

10、作为控制系统。此外，可以用GMR位移传感器改造某些传统的工业仪表，扩大其应用范围。例如，浮子流量计是一种得到广泛应用的非电量仪表， 如果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。在汽车发动机中，为了实现电子点火， 往往需要精密坚固的位移传感器来测量发动 机主轴的准确转角，决定点火时间。以前多用霍尔元件，现在完全可以用GMR替代，从而提高工作温度范围和降低磁场触发磁场的强度。GMR位移传感器也可用在精密机床上来提高机械加工的精度。活塞在气缸中的运动情况也可以通过GMR位移传感器给探测出来。4) GMR角度位移及角速度传感器为了测量一物体的转动角度的大

11、小，往往可以通过探测磁钢因转动而造成其磁场的方 向相对于固定的 GMR磁场传感器的改变，研制的可探测平面内磁场方向和大小的GMR磁场传感器来探测相对其转动的磁钢的转动角度。当一块磁铁固定在转动轮子的边沿而GMR磁场传感器固定在轮子的旁边并保持一定的距离时，参考磁铁随轮子而转动，每当轮子转动一圈，就会使产生一电压脉冲输出。图4给出角速度传感器的原理图。图4角速度传感器的原理利用集成技术已研制出专用来测量角速度即转速的数字式自旋阀GMR磁传感器。该磁 敏传感器可探测各种情况下的角速度。该类 GMR 磁场传感器可用在各种远程抄表系统，在这里包括了煤气、水、电表的数字式的处理。 随着自动化水平的提高，

12、 对于数字式的各种仪 表的需求量越来越大。辽宁万恒科技有限公司采用大量数字式 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）,通过探测角速度进而起到制动作用。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利用的确是势在必行。 至于电机马达行业， 为了得到稳定转速的工作状态， 转 速的测量和控制需要用 GMR 传感器来测量角速度并通过反馈系统可得到稳定的角速度输 出。同时， GMR 角速度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， 对于磁盘转速的控制的精度也在提高， 因此磁

13、场角速度传感器将会 应用在该领域。另外，利用 GMR 薄膜材料可研制出各种用途的磁性编码器。磁性编码器的 优点在于不易受尘埃、结露、影响、对潮湿气体和污染不敏感，同时其结构简单紧凑，可高 速运转，而且其响应速度快（纳秒级） ，体积比光学式编码器小，而成本更低，且易将多个 元件精确地集成，比用光学元件和半导体霍尔磁敏元件更容易构成新功能器件和多功能器 件。由于磁性编码器具有上述诸多优点， 因而近年来在高精度测量控制领域中的应用不断增 加，其市场需求量每年以 20-30%的速度增长。在高速度、高精度、小型化、集成化及长寿 命的要求下， 在激烈的市场竞争中， 磁性编码器以其突出特点而独具优势， 成为

14、发展高技术 的关键。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GMR 磁场传感器可以探测不同的磁性介质。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材料组成， 磁性材料放置在基体内或基体的表面。 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、 工作缝隙的距离和传感器的灵敏度。 目前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、介质磁性签字的鉴别。7）GMR 磁敏加速度传感器加速度传感器是通过测量被加速运动物体的惯性力来确定加速度的测量装置。根据牛顿定律， 被加速物

15、体有一种惯性力， 其大小等于它的质量和加速度的乘积， 而其方向与加速度 方向相反。 由于这种惯性力的存在， 使被加速系统中悬挂的弹性片发生弯曲， 其弯曲量可由 GMR 磁敏器件进行测量，从而得到系统的加速度。2GMR 读出磁头在计算机信息存储中的应用由于利用了 SPIN-VALVE GMF材料而研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高 到目前（2000年）的560亿位/平方英寸，并且 GMR磁头已占领磁头市场的百分之九十到 九十五。现在磁记录存储密度已超过所有的存储方式。正是利用GMR材料，才使得存储密度在最近几年内每年的增长速度达到34倍。随着低电阻高信号的 TMR的获得，实现存储密度到

16、 1000 亿位/平方英寸，将是近一两年的目标。3. GMR在随机存储（MRAM ）中的应用利用SPIN-VAVLE TMR材料和半导体集成技术正在研制一种新的计算随机存储器芯片， 由于 0和 1状态的设置的原理来源于磁性材料特有的磁滞效应， 因此在突然断电时也不会丢 失信息。 半导体的非易失存储器是以极微小的电容器， 是利用存储一份电荷来保存信息。 如 果断电，这份电荷就要耗尽，信息就会丢失。另外采用GMR的磁随机存储器将比半导体的非易失存储器速度快而廉价，美国的IBM和摩托罗拉及欧洲的菲利普、 西门子和INESC都在加紧研究。4. GMR 在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用利用 GMR 材料可研制出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。目前正在把磁性GMR多层膜和半导体材料集成在一起，主要是利用电子的自旋注入（SPIN-INJECTION来开发新的磁性器件。全金属的计算机将成为可能。人