GMR磁场传感器,什么是GMR磁场传感器,GMR磁场传感器介绍
GMR磁场传感器
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GMR效应
一、GMR效应的简介
2007年诺贝尔物理学奖分别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年代独立进行巨磁阻（GMR）研究，因相继发现巨磁阻效应而双双荣获本年度诺贝尔物理学奖。外部磁场通过巨磁阻效应可使磁性材料薄层的电阻发生巨大变化。GMR效应的发现为结构紧凑的计算机硬盘的全新读取磁头的开发铺平了道路，可将个人计算机、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产生的电阻变化导致的。简单来说，该金属膜由具备固定的稳定磁化方向（参考方向）的参考层和磁化方向由外部磁场决定（如指南针）的传感层构成。传感层和参考层通过仅为几个原子厚的铜层隔开，从而产生GMR效应。施加的磁场和传感器参考层之间的角度决定了金属膜的电阻变化。
二、GMR效应的发展状况
巨磁电阻效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视，GMR效应已成为当前凝聚态物理5个热点之一。1994年，美国的NVE公司首先实现巨磁电阻（GMR）效应的产业化，并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---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。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。
GMR磁场传感器的优势所在
GMR磁场传感器的工作原理
磁电阻（GMR）效应是1988年发现的一种磁致电阻效应，由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，因此名为巨磁电阻(Giant Magnetoresistanc)，简称GMR。
巨磁电阻（GMR）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。赋以特殊的结构设计这种效应还可以调整以适应各种不同的性能需要。
反铁磁耦合时（外加磁场为0）处于高阻态的导电输出特性，电阻：R1/2
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分布），而电阻处于低阻态的导电输出特性，电阻：R2*R3/（R2+R3），R2>R1>R3
图1、利用两流模型来解释GMR的机制
巨磁电阻（GMR）传感器将四个巨磁电阻（GMR）构成惠斯登电桥结构，该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器灵敏度。工作时图中“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（2）：惠斯凳电桥中R1和R2在外加磁场作用下的变化情况
图三所示为巨磁电阻（GMR）传感器在外场中的性能曲线，表明该传感器在±200Oe的磁场范围类有较好的线性。
4.产品使用说明
a . 巨磁电阻（GMR）传感器作为一种有源器件，其工作必须提供5~20V的直流电源。而且该电源的稳定性直接影响传感器的测试精度，因此要求以稳压电源提供；使用中也应避免过电压供电；
b .巨磁电阻（GMR）传感器作为一种高精度的磁敏传感器，对使用磁环境也有一定的要求，其型号选用应根据使用环境的磁场大小来决定；
c. 巨磁电阻（GMR）传感器对磁场的灵敏度与方向有关。其外形结构上标注的敏感轴为传感器对磁场最为灵敏的方向，
参见图四。当不平行时，灵敏度降低，其关系为
Sθ=S0COSθ
其中Sθ为磁场方向与传感器敏感轴间的夹角为θ时的灵敏度，S0为磁场方向与传感器敏感轴平行时的灵敏度。
d. 对于输出特性相对于外磁场为偶函数时，则将传感器作为测量使用时需要外加偏置磁场。理想情况偏置磁场的大小为传感器保持线性范围磁场的1/2。
GMR磁场传感器的应用分析
地球是一个大磁铁，地球表面的磁场大约为0.5Oe，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3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。我们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。我们知道，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。
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馈系统（开关电源）
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。我们已利用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，并研制出线性测量范围正负200Oe的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10,000安培的直流和交流。目前有三种办法可用来探测电流：电阻短路的办法，其缺点在于引入一电压降和这种方法不能提供上下级的隔离。电流转换器则基于安培定理，但是其仅仅用来探测直流。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，我们利用两次沉积自旋阀多层膜的办法，已研制出可探测微安级的交直流及探测磁场范围在正负20Oe的GMR磁场传感器。并且与西班牙的一所大学合作，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。至于在无刷直流电机的应用：大家知道，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非常不好的影响，比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等。如果用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.给出了测量电流的原理图。
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。下图给出一圆柱磁钢及其周围的磁场分布。我们已研制出一种能同时探测X—Y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。
为了测量一物体的转动角度的大小，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，我们研制出的可探测平面内磁场方向和大小的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。下图给出角速度传感器的原理图。我们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，对于数字式的各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立了联系。该公司需要大量数字式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，成为发展高技术的关键。
人体之中存在着各种形式的机械运动，它们是机体完成必要的生理功能的前提和保证，因此检测这些生物机械运动，无论对基础医学还是对临床医学来讲，都具有十分重要的意义。以前，由于必须利用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而局限在方面医学的发展。高灵敏度及集成化的GMR磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的非接触式的探测提供了方便，并推动其发展。下面介绍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：首先各种各样的细胞、蛋白质、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对象磁性化，进而在用高灵敏度的GMR磁场传感器来探测它们的具体位置。这种也可用于医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测等领域。高灵敏度的GMR传感器也可用在用来脑电图、心机图等的高精度的仪器设备上，来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。利用GMR磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的方法，这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳现象，和诊断某些眼科疾病。
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。
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。