第31卷 第4期
2008年8月
电子器件
Chinese J ournal Of Elect ron Devices
Vol.31 No.4Aug.2008
Applications and Progress in the Study of Giant Magneto 2Impedance E ffect
in Soft Magnetic Amorphous Wires &G MI Sensors
J I A N G Yan 2w ei ,FA N G J i an 2chen g
3
,S H EN G W ei ,H UA N G X ue 2gong
S chool of I nst rument Science and Opto 2Elect ronics Engineering ,
B ei j ing Universit y of A eronautics and A st ronautics ,B ei j ing 100083,China
Abstract :Magnetic sensor utilizing t he giant magneto 2impedance effect (GM I )in amorp hous wires is one of hot point s on magnetic sensor research in recent years.Amorp hous wires have good soft magnetic proper 2ties ,such as low resistivity ,high magnetic permeability ,high sat uration magnetic flux density ,low coer 2civity ,low lo ss and special magnetic domain st ruct ure ,which can be made into magnetic sensors utilizing t heir GM I effect.The o ut standing advantage of GMI magnetic sensor is it s miniat urization ,high sensitivi 2ty ,quick respo nse ,high temperat ure stability and low power consumption.Principle of GM I effect in a 2morp hous wires is discussed and progress in t he st udy of GM I sensor using amorp hous wires is mainly de 2scribed.Performance and preparation of sensitive materials ,GM I element st ruct ure and sensor circuit are p resented specially ,and existing problems and developing trend of GM I in f ut ure are indicated.Finally ,applications of GM I are forecasted.
K ey w ords :G iant magneto 2impedance (GMI );Amorp hous wires ;Magnetic sensor ;Magnetic domain st ruc 2t ure ;Magnetic permeability ;Skin effect EEACC :7230;3110
软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用
蒋颜玮,房建成3,盛 蔚,黄学功
(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083)
收稿日期:2007207220
作者简介:蒋颜玮(19732),男,助理研究员,博士研究生,研究方向为磁敏器件、微磁传感器技术,Jiang_yanwei @https://www.doczj.com/doc/d17331311.html, ;
房建成(19652),男,教授,博士生导师,主要研究方向为新型惯性仪表及导航系统技术
摘 要:基于软磁非晶丝巨磁阻抗效应(GMI )的传感器是近年来磁传感器领域的研究热点之一。非晶丝具有良好的软磁特
性:如低电阻率、高磁导率、高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗以及特殊的磁畴结构等,利用其GMI 效应制成磁传感器,其突出优点是微型化、高灵敏度、快速响应、高温度稳定性和低功耗。本文讨论了软磁非晶丝巨磁阻抗效应的机理,叙述了非晶丝GMI 传感器的研究进展,着重对敏感材料性能及制备、GMI 器件结构形式、传感电路等作了介绍,并指出了GMI 目前存在的问题及将来的发展趋势。最后对GMI 的应用作了展望。
关键词:巨磁阻抗(GMI );非晶丝;磁传感器;磁畴结构;磁导率;趋肤效应
中图分类号:TP212.13 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)0421124206 巨磁阻抗效应(G iant Magneto 2Impedance effect ,简称GM I )是指磁性材料交变阻抗随外磁场显著变化的效应。它来源于一种叫磁感应(Magne 2to 2inductive )的物理效应,最早可追溯到二十世纪三十年代,但由于当时材料和应用领域的限制,
GMI 的应用前景并不明朗,在当时和以后的几十年
里未引起人们注意。
1992年,日本名古屋大学的K.Mohri 等人[1]
在Co FeSiB 软磁非晶丝中发现了GM I 效应,即非晶丝在交变电流激发下,其阻抗值随沿丝轴方向施
加的外磁场的变化而发生显著变化,阻抗变化率在几个奥斯特(1Oe 相当于1Gs =10-4T =105n T )磁场作用下可达50%,比金属多层膜在低温、高磁场强度下观察到的巨磁电阻效应(GMR )高一个数量
级,从此这一现象引起了广泛关注。ΔZ/Z 0—般定
义为(Z H -Z 0)/Z 0,其中Z 0、Z H 分别表示无外磁场和外加磁场下软磁材料的交流阻抗,其比值的大小表示材料对磁场变化的敏感程度。由于GM I 在室温下磁阻抗效应显著和低外磁场下的高灵敏度,使其在磁传感和测量领域中具有巨大的应用潜能。
随着信息技术的不断提高,磁测量领域对磁传感器性能的要求越来越高。巨磁阻抗效应(GM I )的发现为开发具有高稳定性、高灵敏度、高分辨率、响应速度快、低功耗等特点的磁传感器提供了可能。采用软磁非晶丝作为敏感材料,利用其GM I 效应制作的磁传感器(以下简称GM I 传感器),不但继承了传统磁传感器的优点,而且由于GMI 磁阻抗变化率高,使它能探测微弱磁场,扩大了磁传感器的测量范围和应用面,呈现出广阔的应用前景。
1 软磁非晶丝的巨磁阻抗效应研究
GM I 效应最初是在钴基的软磁非晶丝中发现
的,人们对非晶丝研究主要以钴基非晶丝为主,此外
还有铁基非晶丝,以Co FeSiB 系非晶丝最为典型[227],主要成分是Co FeSiB 、CoSiB 或FeSiB 。
K.Mohri 等人[3]的研究成果表明,在适当成分下,钴基非晶态合金丝材料Co FeSiB 具有特别优异的软磁性能,它作为研究巨磁阻抗效应的最典型材料,在适当的组分下具有优良的软磁性能,如低电阻率、高磁导率、高饱和磁感应强度、低矫顽力、低损耗以及特殊的磁畴结构。非晶丝GM I 效应的来源可归因于这种特殊的磁畴结构和较强的趋肤效应。由于非晶丝在急冷制备过程中丝的表面和中心区有不同的冷却速率,表面层受到圆周方向(或轴向)的压缩力,而中心区域受到的是张力。由于磁致伸缩效应引起圆周磁各向异性,丝的中心和外层产生不同的磁畴结构,因而丝的表面具有圆周方向的各向异性,形成环状磁畴,中心区域的磁化强度方向沿着细丝的轴向,如图1所示[8],这样结构对阻抗有着重要影响
。
图1 负磁致伸缩非晶丝的磁畴结构
其磁畴结构分内芯及外壳两部分,内芯含轴向
易磁化畴而外壳为左、右旋交替分布圆周向磁畴结构,磁致伸缩系数趋近于零(～-10-7),因为负的磁致伸缩导致圆周各向异性,从而使磁畴结构沿着丝呈环形畴排列,通过丝的电流产生了一个易轴场,该场使畴壁移动产生环形磁化。外加纵向场H ex 相对于圆周磁化来讲是一个难轴场,会阻止圆周磁通的变化。结果当H ex =0时,圆周磁导率较大(～104),当H ex 增加,圆周磁导率随外磁场急剧减小,由此可知,圆周磁导率随外场灵敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因。
采用图2的装置进行测试,在非晶丝的两端通以高频电流I =I 0exp (-i ωt ),由于材料的交流阻抗随着丝轴向所加的外磁场H ex 的变化而变化,可以测得非晶丝两端感生的交流电压V 随外磁场的变化而变化。用伏安法分析,非晶丝交流阻抗可表示为Z =V /I =R +i X ,其中R 为复数阻抗Z 的实部即电阻分量;X 为Z 的虚部即电感分量,ω为交变驱
动电流的圆频率(ω=2
πf )
。图2 测试电路图
采用趋肤效应分析方法,非晶丝交流阻抗Z 可
表示为[9]:
Z =R DC ka J 0(ka )/2J 1(ka )
(1)式中,R DC 为非晶丝的直流电阻,R DC =ρl /πa 2
,ρ是非晶丝的电阻率,l 为非晶丝长度,a 为非晶丝半
径,J 0和J 1分别为零阶和一阶贝塞尔函数(Bessel f unction ),k =(1+j )/δm ,趋肤深度δm 为δm =2ρ/μ<
ω(2)式中,ω是交流驱动电流的角频率;μ<是非晶丝圆周磁导率。
具有圆周各项异性,受交变电流I
磁化后的非晶丝,如图3所示。
图3 具有圆周各向异性受磁化的非晶丝
从式(1)、
(2)可以看出,磁性导体中的阻抗通过趋肤深度δm 依赖于圆周磁导率μ<。在环形磁畴结构中,圆周磁导率是外加轴向磁场的敏感函数,阻抗
也敏感的依赖于外加轴向磁场。下面分别讨论在低频和高频的情况。
5
211第4期蒋颜玮,房建成等:软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用
(1)低频(1～10k Hz)[9212]:
此时δm>>a,趋肤效应很小或没有发生,Z可表示为:
Z=R DC+jωL(3)式中,L为非晶丝的电感量,L=μl/8π。
圆周磁导率可表示为μeff<=μ<0+4πj x0dw/ωdw,其中:μ<0是由畴壁位移决定的静态圆周磁导率,x0dw是畴壁位移决定的静态圆周磁化率,ωdw是畴壁位移的特征弛豫频率。
将上述磁导率表达式代入式(1),按频率展开至二次项,可得到低频下非晶丝阻抗表式:
Z=R DC[1+(a/δm)4(0.14+0.25(δdw/a)2)]-(jω/c2)L i(4)式中,δdw=c/2π2σx0dwωdw,L i=μ<0l/2
在低频情况下,从式(4)中电阻部分与趋肤深度的关系可以看出,趋肤深度的影响很小,阻抗的变化主要是磁感应效应,即由于外磁场作用下圆周磁导率变化而产生的。外磁场的作用是引起材料中磁导率的改变,这时阻抗随直流磁场的变化主要来自电感部分,因此在低频下产生磁感应效应。
(2)高频(可达M Hz)[9212]
此时δm< Z= a 22ρ R DC(1+j)ωμ<(H ex)(5) |Z|=a 2ρ R DCωμ<(H ex)(6) 磁导率μ<(H ex)是外加磁场H ex的敏感函数,如果沿驱动电流方向纵向加一外磁场H ex,磁导率μ<将随磁场H ex改变,此时,圆周磁导率为复数形式,可表示为μ<=μ′<+jμ″<,阻抗表达式更为复杂: Z=R(a/2δ)(μR-jμL)(7)其中:μR=|μ<|+μ″<,μL=|μ<|-μ″<,δ为非磁趋肤深度。由式(7)可以得出:阻抗的电阻和电抗分量都与磁导率有关,都受外磁场的影响。高频下,外磁场可以通过改变磁导率而改变阻抗值,同时也通过改变趋肤深度而间接改变阻抗值,因而可使阻抗产生很大的变化。这就是GM I效应。 一般认为,对磁导率的贡献主要有两项,一是磁矩转动,与圆周磁导率的实部相关,二是畴壁移动,与圆周磁导率的虚部相关。因此圆周磁导率随外磁场的变化是磁矩转动和畴壁移动相互平衡的结果。由于磁矩转动的特征频率比畴壁运动的特征频率要高。在低频下,磁化过程以畴壁移动为主,圆周磁导率随外磁场以虚部随外磁场的变化为主要特征;在高频下,磁化过程以磁矩转动为主,畴壁移动造成的影响很小,因此,圆周磁导率随外磁场的变化是以实部随外磁场的变化为主要特征的。 从以上分析知,圆周磁导率是影响巨磁阻抗效应的重要因素,而磁导率又是结构灵敏量,所以,所有影响磁导率的因素都将影响巨磁阻抗效应。 实验表明,非晶丝的GM I效应通常与材料的退火处理、磁致伸缩、驱动电流频率、温度等因素有关。经过对各种成分的非晶丝采用不同退火处理的研究表明,采用不同退火,可以引发特殊的磁各向异性,从而改善GM I效应。 K.Mo hri在最早发现GM I效应的时候,对Co FeSiB非晶丝进行了应力退火或电流退火,使非晶丝产生沿丝的圆周方向的磁各向异性,获得各向异性场H k。若样品不经过处理,可近似认为H k= 0,此时的GM I效应和H k≠0的情况不同。H k=0 和H k≠0两种情况下的M IR(ΔZ/Z)典型特征曲线(双峰现象)如图4所示。 图4 GMI效应的典型特征 图4中以圆点表示的是H k≠0的情况,以圆圈表示的是H k=0的情况,可以看出GM I效应灵敏度最高的是AB段。仔细处理样品得到很好的圆周各向异性,在一定的频率下便可得到此段的GMI效应。此段GM I效应灵敏度高,具有很大的实用价值。 为了使其非晶丝的GM I效应能更好的应用于实际,目前的研究重点是如何提高非晶丝的GMI阻抗变化率以及其磁场灵敏度,研究退火、偏置磁场、偏置电流和外加应力等因素对其的影响。 2 非晶丝G MI传感器研究进展 2.1 非晶丝的性能及制备 软磁非晶合金材料具有显著的GM I效应,使该种材料特别适合用于磁传感器的敏感材料。采用非晶丝作为磁传感器的敏感材料,与传统的晶态磁性材料相比,它具有优异的电磁性能,制作的传感器结构简单、体积小、性能指标高。该材料的主要磁性能如表1所示。 6211电 子 器 件第31卷 表1 软磁非晶丝的主要磁性能参数参数 钴基非晶(Co -)铁基非晶(Fe -) 电阻率/μΩ?cm 130130初始磁导率>3×104-最大磁导率>3×104 >2×104 饱和磁感应强度/T 0.5～0.8 1.5剩余磁感应强度/T 0.40.5～1.2饱和磁致伸缩系数-0.08×10-6 27×10-6 矫顽力/A ?m -1<2<4居里温度/℃320410晶化温度/℃ 520 550 用于GM I 器件的非晶丝成分以Co FeSiB 为主,直径通常为30～150μm ,长度为数毫米不等,通常采用旋转水中纺丝法制成。具体制备过程如下:在高速旋转的鼓轮内加入冷却水,在离心力的作用下,冷却水在鼓轮内壁形成环形水池,并随鼓轮同步旋转,熔融钢水通过坩埚的底部圆孔顺流喷入水中,快速凝固成连续的圆截面非晶丝材。 制得的非晶丝截面为圆型,其晶体结构可用X 射线衍射仪测得的X 射线衍射谱来表征,若谱线仅含漫散射峰而无尖锐峰值出现,则可判定该材料处于非晶态。 制备态的非晶丝经应力退火或电流退火处理后,在表层感生了圆周各项异性,GM I 效应得到显著提高。 2.2 G MI 器件及传感电路 现在基于非晶丝GM I 效应的磁传感器研究十分活跃[13219],已经成为现代磁电子学的研究热点之一。主要利用非晶丝制成灵敏的GM I 器件,配以传感器调理电路实现对磁场等物理量的检测。 GM I 器件的典型结构如图5所示。在非晶丝上缠绕两组线圈:偏置线圈和反馈线圈,目的是用来改善GM I 特性 。 图5 GMI 器件结构 Aichi Steel 公司[20]利用此结构制作的GMI 模 块芯片,如图6所示。有六个引脚,其中四个是两个线圈的输出。非晶丝通过超声波焊接在陶瓷基底的电极上,外包围一层树脂,树脂外缠绕线圈,该芯片适合批量生产。 针对这种有偏置和反馈线圈的结构(图6),Ka 2 图6 批量生产的GMI 芯片 neo Mo hri [21]等人设计了以CMOS IC 总体电路作 为脉冲电流代替高频电流启动GM I 传感器的总体 电路,很具有代表性,基本电路如图7所示 。 图7 CMOS 多频振荡器型GMI 传感器电路 电路的工作原理是:电路利用CMOS 芯片的两个反相器和电阻R 、电容C 构成多频振荡器,产生10ns 宽的脉冲电流。GM I 器件上的脉冲电流依次通过二极管SBD 、R H 和CH 组成的滤波器、高速运算放大器O P 1、OP 2得到传感器输出E out 。电路中加负反馈环路是为了改善输出电压E out ～H ex 特性、频率特性和消除磁滞现象。利用该电路组成的GMI 传感器,灵敏度可达200mV/Oe ,测量范围为±1Oe 。响应频率可达1M Hz ,功耗小于10mW 。用这种传感器可以检测弱磁场和磁体位移等物理量。 为了进一步提高传感器的性能,例如温度稳定性和可靠性,采用C 2MOS 差分式结构的GM I 传感器电路如图8所示[22223]。利用两个GM I 器件,采用差分电路,可有效提高温度稳定性 。 图8 CMOS 差分式GMI 传感器电路 以CMOS IC 总体电路作为脉冲电流启动GMI 传感器的总体电路,这促进了大规模生产微型传感器的ASIC (Application Specific Integrated Circuit 7 211第4期蒋颜玮,房建成等:软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用 专用集成电路)技术的发展。Aichi Steel 公司利用这种技术在2001年研制成功高密度结构的CMOS 型GM I 传感器。此传感器使用直径为30μm 、长度为2mm 的Co FeSiB 非晶丝作为磁敏感器件,并且在2002年研制出直径为20μm 、长度为lmm 的Co FeSiB 非晶丝作为磁敏感器件的CMOS 型磁传感器。这种传感器可以制成电子罗盘安置在汽车、轮船、移动电话中作为电子器件构成导航系统。2.3 G MI 器件及传感电路的集成封装 为了减小体积和优化设计电路,对GM I 器件及传感电路的封装,采用基于MCM (多芯片组)的嵌入式封装技术,这对设计和加工提出了更高的要求。图9为嵌入式封装的结构示意图[24] 。 图9 嵌入式封装示意图 ,敏感元件被埋设在陶瓷框架的空洞内,之后在其上部利用丝网漏印、光刻等技术分别涂覆介质薄膜以及金属膜并使之图形化,最后,集成模块的驱动、控制、保护元件以表贴或膜式元件的形式粘附在最上层。嵌入式封装 结构的最大优点是可以大为缩小模块的体积,继而提高模块的功率密度。和焊接技术为基础的互连工艺相比,芯片电极引出线的距离更短,相应的寄生效应也更小,适合用于GM I 器件及传感电路的集成化。 3 问题和发展趋势 GM I 效应尽管有很好的应用前景,但仍存在一 定的问题。一个是GM I 磁后期效应,这在GMI 传感技术应用中是不需要的,通过对GM I 敏感材料采取适当退火处理可大大减小该效应;另一个是磁滞现象,主要和磁化过程密切相关,通过适当的热处理可大大减小。此外,GM I 的基本特性是非线性的,而且其形状将会使在零场附近的工作出现严重的问题。由于阻抗变化与外场在零场呈对称性,故GM I 传感器在零场附近不敏感,灵敏度较低。 非对称巨磁阻抗(asymmet ric giant magneto 2impedance ,A GM I )效应[25227]由于能改善GM I 传感 器在零场附近的特性,提高线性度和获得高灵敏度,而引起了广泛的关注。非对称巨磁阻抗效应已经成 为目前研究的热点,利用GM I 效应的非对称特性可以实现GM I 传感器在零场附近具有高的线性度和 灵敏度,满足微弱磁场传感器的需求。 4 G MI 的应用 随着自动化和信息时代的到来,各种器件正在向着微型化、高信息密度、高灵敏度的方面发展。具有GM I 效应的巨磁阻抗效应材料,由于其交流磁阻抗随外加磁场改变而变化极其灵敏,在室温下的巨磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使其在磁传感器、磁灵敏开关、自动化控制系统等方面有较大的应用前景。利用非晶丝的GMI 效应,可制成高性能的微磁传感器,例如采用尺寸Φ30μm 、长1～2mm 的非晶丝接入固态电路制成的微磁传感器,分辨率可达0.1n T ,响应速度达1M Hz ,无磁滞,温度稳定 性好(-50℃～180℃),可用于高密度磁记录设备、导航、军事和安全、无损检测、地磁及生物磁性测量等方面,为微磁电子产业的形成和发展创造了条件。 GM I 传感器与现有的半导体器件(霍尔元件和磁敏电阻等)、磁电阻器件、磁通门和GMR 传感器相比,可以集微型化、高灵敏度、快速响应、温度稳定性和低功耗于一身,可作为现在各种磁传感器的更新换代产品。表2给出了目前主要磁传感器种类的性能对比。 表2 主要磁传感器性能对比 器件种类探头长度 分辨率 响应速度 功耗 霍尔器件10～100μm 0.5Oe 1M Hz 10mW MR 器件 10～100μm 0.1Oe 1M Hz 10mW GMR 器件 10～100μm 0.01Oe 1M Hz 10mW 磁通门 10～20mm 1μOe (ac ) 100μOe (dc ) 1k Hz 1W GMI 器件 1～2mm 1μOe (ac )100μOe (dc ) 1M Hz 10mW 日本爱知制钢公司研制并生产了GM I 模块芯片,并研制成100种以上有希望的应用产品[28],包括军用传感器、卫星飞行姿态测量系统、工业控制和测量,交通测量和监控传感器、手持式地磁传感器、汽车传感器、交通检测控制记录仪、电子磁罗盘、微磁医疗设备以及计算机外围设备等。 总之,利用GM I 效应可以开发各种性能优良的磁传感器。研究开发GM I 效应传感器具有重要现实意义。参考文献: [1] Mohri K ,K ohzawa T ,Kawashima K ,et al.Magneto 2Induc 2 tive Effect (MI effect )in Amorphous Wires [J ].IEEE Trans Magn ,1992,28(5):315023152. 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[28] Mohri K,Uchiyama T,Shen L P,et al.Amorphous Wire and CMOS IC2Based Sensitive Micro2Magnetic Sensors(MI Sensor and SI Sensor)for Intelligent Measurement and Con2 trols[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002,249:3512356. 9211 第4期蒋颜玮,房建成等:软磁非晶丝巨磁阻抗效应传感器研究进展与应用 CHR-01阻抗型高分子湿度传感器 （湿敏电阻）产品规格书 一.应用范围： 本资料适用于阻抗型高分子湿度传感器,型号CHR-01 二.外型尺寸及内部结构示意图: 1—外壳(ABS) 2—基片(AL2O3) 3—电极4—感湿材料5—引脚 三.电性能参数表1 工作电压1V AC（50Hz ～ 2 K Hz） 检测范围20%～ 90% RH 检测精度±5% 工作温度范围最高使用温度0℃～＋85℃120℃ * 特征阻抗范围30 (21 ～ 40.5) KΩ ( 60%RH, 25℃) 响应时间≤12 s (20%～ 90%) 湿度飘移（/年）≤±2% RH 湿滞≤ 1.5%RH * 元件使用在(85 - 120℃)时,需在高温下标定,器件外壳需另制 ** 25℃标准曲线见图2 *** 0-60℃阻抗特性数据见表2及图3 表2：0~60℃湿度阻抗特性数据 单位: KΩ * 所有数据均由LCR数字电桥在1VAC/1KHZ测试所得。 四、应用电路建议 1、如使用模拟电路，建议将湿度信号变为电压信号输出，请向厂家索取。 2、可采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1K Hz左右，（在60%RH，25℃）（建议串联电容采用温度系数低，精度在±5% J级有机聚合物电容，例如涤纶或聚丙烯类电容） 3、对于采用单片机电路采集信号，可参考厂家提供的《湿度传感器单片机应用指南》 五.引用标准 GB/T15768-95 电容式湿敏元件及湿度传感器总规范 SJ/T10431-93 湿敏元件用湿度发生器和湿度测试方法 SJ20760-99 高分子湿度传感器总规范 六.注意事项 1.不要对元件使用直流电源，检测时请使用电桥阻抗（LCR）测试设备 2.避免硬物或手指直接接触元件表面，以免划伤或污染敏感膜 3.焊接时温度不能过高（<180℃，2S 膜表面），使用低温烙铁或用镊子保护 4.尽量避免在以下环境中直接使用：盐雾，腐蚀性气体：强酸（硫酸，盐酸）， 强碱，有机溶剂（酒精，丙酮等） GMI Sensor Principle & Application 巨磁阻抗传感器 的原理及应用介绍 新.磁.（上.海）.电.子.有.限.公.司 2013.12 By Tony sensors-ic at qq com 邮.件. sensors ic at https://www.doczj.com/doc/d17331311.html, GMI Sensor 巨磁阻抗传感器简介 巨磁阻抗效应（GiantMagneto ‐Impedance effects, GMI ）是 指软磁材料的交流阻抗随外加磁场的改变而发生显著变化 的现象，产生GMI 效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。 GMI 磁传感器采用交流驱动,具有灵敏度高、饱和磁场低、 响应快和稳定性好等优点。利用GMI 非晶丝材料可设计成高 灵敏度的磁场传感器，用于微弱磁场、电流、位置、生物 在地磁场测量地磁匹配导航及 分子浓度等物理量的检测,在地磁场测量、地磁匹配导航及多种弱磁传感器中有着广泛的应用，具有很大的应用前景 和研究价值。 传感器基础材料—非晶丝 The MI Sensor makes use of the Giant Magneto‐ amorphous metal wire. Impedance effect of magnetic GMI传感器材料——GMI效应 材料的GMI效应可以用样品阻抗Z随外加磁场Hex变化的Z‐Hex曲线来表征，但这样的曲线不能明确反映出磁阻抗效曲线来表征但样的曲线不能明确反映出磁阻抗效 应的强弱程度。特别是由于样品的测量长度无法严格控制不同样品的无法相较因可选用阻抗的制，不同样品的Z‐Hex无法相互比较，因此可选用 相对变化值随外加磁场的变化曲线来表征，用没有外加磁场时的样品阻抗Z0作为“阻抗的相对变化量”的变化场时的样阻抗作为阻抗的相对变化的变化 基准，即DZ/Z0=(Z‐Z0)/Z0，其变化率与样品本身的长度无关因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严关。因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严 重，因此采用四点法进行测量。 第四章电涡流式传感器 教学要求 1．了解电涡流效应和等效阻抗分析。 2．熟悉电涡流探头结构和被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响。 3．熟悉电涡流式传感器的测量转换电路。 4．掌握电涡流式传感器的应用。 5．掌握接近开关的分类和特点。 教学手段多媒体课件、各种电涡流传感器演示 教学课时3学时 教学内容： 第一节电涡流传感器工作原理 一、电涡流效应（演示） 从金属探测器的探测过程导出电涡流传感器的电涡流效应。从金属探测器的结构来说明图4-1电涡流传感器工作原理。 二、等效阻抗分析 图4-1中的电感线圈称为电涡流线圈。分析它的等效电路：一个电阻R和一个电感L 串联的回路。电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式（分析其实际价值）Z=R+jωL=f（i1、f、μ、σ、r、x）（4-1）结论：电涡流线圈的阻抗与μ、σ、r、x之间的关系均是非线性关系，解决方法：必须由微机进行线性化纠正。 第二节电涡流传感器结构及特性 一、电涡流探头结构（实物演示） 电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。 线圈结构：用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封，（图4-2）。CZF-1系列电涡流探头的性能： 表4-1 CZF-1系列传感器的性能 提问：请同学由上表分析得出结论：探头的直径越大，测量范围就越大，但分辨力就越差，灵敏度也降低。 二、被测体材料、形状和大小对灵敏度的影响 线圈阻抗变化与哪些因素有关：金属导体的电导率、磁导率等。 第三节测量转换电路 （简单介绍调幅式和调频式测量转换电路。） 一、调幅式电路 调幅式：以输出高频信号的幅度来反映电涡流探头与被测金属导体之间的关系。图4-3：高频调幅式电路的原理框图。 ? 文章编号:1004-2261(2002)04-074-03 巨磁阻抗效应及其应用 董延峰,王 治,丁燕红 (天津理工学院 材料物理所,天津300191) 摘要:近年来在FeCoSiB等非晶和纳米晶丝带中发现了巨磁阻抗效应,由于其灵敏度高,因而在磁传感器技术中有巨大的应用前景,受到国内外专家的广泛关注.本文简单介绍了巨磁阻抗效应的原理,并结合近年来具有巨磁阻抗效应的非晶和纳米晶铁磁合金的应用研究进展情况,提出了巨磁阻抗效应可能广泛应用的领域. 关键词:非晶;纳米晶;铁磁合金;巨磁阻抗效应 中图分类号:TM27 文献标识码:A Giant magneto-impedance effects and their applications DONG Y an-feng,WANG Zhi,DING Yan-hong (Institute of M aterial Physics,Tianjin Institute of Technology,Tianjin300191,China) A bstract:Giant magneto-im pedance effects have been discovered in FeCoSi B amorphous and nanocrystalline w ires.These effects have giant sensitivity.Close attention has paid to it by schol-ars in lots of countries,since their g reat promising prospects in the application of sensor technolo-gy.In this article,the sources of giant magneto-im pendance effects are introduced briefly.And research developments of the effects and their applications in amo rphous and nanocrystalline soft magnetic alloy in recent years are summaried.The future applications are also described. Key words:amorphous;nanocrystalline;Fe-based mag netic alloy;giant mag neto-impedance 1 GM I效应 1992年,日本名古屋大学毛利佳年雄教授等人首先报道了在非晶磁性材料中发现其交流磁阻抗随外加磁场而变化的现象,这种现象非常灵敏[1～2].非晶丝的灵敏度达12%～120%/Oe[3],因此将此现象称为巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应.在室温下显著的磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使这种效应在传感器技术和磁记录技术中具有巨大的应用潜能.接着美国波士顿大学教授Humphre y F B、瑞典皇家工学院Rao K V、日本Uniti-ka ltd公司在1994年的“MMM-INTERMAG联合会”和“快淬非晶磁性丝及应用研讨会”上均作了专题报告,对GMI效应的产生机制作了深入系统的分析研究,就实验数据作了理论解释. 毛利等人的研究成果表明,在适当成分下, FeCoSiB非晶软磁丝具有良好的软磁特性.磁致伸缩系数趋近于零(～10-7),因为负的磁致伸缩导致切向各向异性,从而使磁畴结构沿着丝呈环形畴排列,如图1所示.通过丝的电流产生了一个易轴场,该场使畴壁移动产生环形磁化.外加纵向场H ex相对于环形磁化来讲是一个难轴场.会阻止环形磁通的变化.结果当H ex=0时,切向磁导率较大(～104),当H ex增加,切向磁导率随外磁场急剧减小,切向磁导率随外场灵敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因. 第18卷第4期2002年12月 天 津 理 工 学 院 学 报 JOURNAL OF TIANJIN INSTITUTE OF TECHN OLOGY Vol.18No.4 Dec.2002 收稿日期:2002-09-08 基金项目:天津市自然科学基金资助项目(003603111);天津市“材料物理与化学”重点学科资助项目第一作者:董延峰(1976-),男,硕士研究生 第24卷第2期 2011年2月 传感技术学报 CH I N ESE JOURNAL OF SE N S ORS AND ACT UATORS Vo.l 24 No .2 Feb .2011 项目来源:国家863计划项目(2007AA 12Z327)收稿日期:2010-08-09 修改日期:2010-11-02 Design ofM agnetic Sensor Based on t he Asy mm etric Giant M agneto impedance Effect i n A m orphous A lloys * JIANG Yan w ei 1,2 ,FANG J iancheng 1* ,WANG Sansheng 1 ,H U AN G Xuegong 3 1.L aboratory of Func ti on M a te rials and Device ,K e y La boratory of F undam ental S cie n ce forN a ti ona lD e fe n se ofN ov el Inerti a l Inst rumen t and Nav i ga tion Syste m Technol ogy,B eihang Un i versit y,B eiji ng 100191,Ch i na;2.In stit u t e of Che m ic a lD e fe n se ,B eiji ng 102205,China; 3.S c h ool of M ec han i ca lE ng i n ee ring,N anji ng Un i v e rsit y of Science and Technol ogy,Nanjing 210094,Ch i na Abst ract :The softm agnetic properties o fCoFe N i S i B a m orphous all o y r i b bon as sensi n g m ateria lw ere m easured and analyzed .By the fi e l d annealing heat treat m ent i n air ,a good asy mm etric g iant m agneto i m pedance effect(AG M I)has been obta i n ed .A sensitive AGM I m agnetic sensor w as deve loped utilizing the fie l d annealed a m or phous ri b bon as sensi n g ele m en,t and the perfor m ance o f the sensor w as tested i n open loop and closed loop cond itions .The re su lts i n dicate that the sensor show s a better sensitiv ity in t h e open loop testing ,and a better li n earity and larger m easure m ent range in the c l o sed loop testing .The desi g ned sensor can be app li e d to detect the geo m agneti c fie l d s ,w hich have good potential app lication i n geo m agnetic nav i g ation . K ey w ords :m agnetic sensor ;asy mm e tric g i a nt m agneto i m pedance effect(AGM I);a m orphous alloys ;field annea li n g ;negative feedback EEACC :7230;3110 do:i 10.3969/j .issn .1004-1699.2011.02.004 基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计 * 蒋颜玮1,2 ,房建成1* ,王三胜1 ,黄学功 3 1.北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,功能材料与器件研究室,北京100191; 2.防化研究院,北京102205; 3.南京理工大学机械工程学院,南京210094 摘 要:以CoF e N i S i B 非晶合金薄带为敏感材料,测试分析了其软磁性能,经空气中磁场退火热处理,获得了较好的非对称巨 磁阻抗效应(AGM I)。以磁场退火处理后的非晶合金薄带为敏感元件,设计了AGM I 磁传感器,并对其性能进行了开环和闭环测试。测试结果表明,开环条件下该传感器表现出较高的灵敏度;闭环条件下则表现出更好的线性度和更宽的测量范围。该传感器可实现对地磁场的检测,在地磁导航领域中具有较好的应用前景。 关键词:磁传感器;非对称巨磁阻抗效应(AGM I);非晶合金;磁场退火;负反馈 中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2011)02-0175-05 近来,软磁非晶合金在磁传感器领域的潜在应用引起了人们的广泛兴趣 [1] 。特别是在地磁导航应用中,需要一种高灵敏度和快速响应的磁传感器[2-3]。在各种磁传感器中最常见的磁通门传感器具有较高的灵敏度和较低的噪声,然而体积大、功耗高和响应速度慢的缺点限制了其在地磁导航中的应用。其它类型的磁传感器,例如霍尔传感器、巨磁阻 (GMR)传感器等,存在着热稳定性不高、灵敏度低的不足,而且通常需要较强的偏置场 [4] 。因此,研 制可用于地磁导航的高性能的新型磁传感器有着十 分重要的意义。 1994年,一种被称为巨磁阻抗效应(GM I)的磁现象在Co 基非晶合金丝材中被人们发现[5] ,即非晶丝在交变电流激发下,其阻抗值随沿丝轴方向施 电阻应变式传感器 1 引言 把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。【1】它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器(见位移传感器)和锰铜压阻传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。 2 电阻应变式传感器 以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形， 并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应 变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以 测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等 多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变 式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。 3 金属箔式电阻应变片 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：△R/R=Kε式中△R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△l/l为电阻丝相对长度变化，电阻箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4。 4 电阻应变式传感器的测量 4.1 实验原理 ［讲解］巨磁阻效应的原理及应用 巨磁阻效应的原理及应用 物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR）。 要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数1、自旋量子数s,l,2,和总角动量量子数j。主量子数5二1, 2, 3, 4…）会视电子与原子核间的距离（即半径座标"而定。平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数（1=0, 1…n-L）（乂称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，1二0的轨道叫s轨道，1二1的叫p轨道，1二2的叫d 轨道，而1二3的则叫f轨道。磁量子数（ml= -1, -1+1 - 0…1-1, 1）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的笫四个量子数一自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。 “我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从s带跃迁到d带的散射过程，因为跃迁 1、结构型传感器是依靠传感器( )的变化实现信号变换的。 1.材料物理特性 <="" label=""> 2.体积大小 3.结构参数 4.尺寸的选择 5、半导体应变片具有( )等优点。 1.灵敏度高 3.可以控制 4.没有误差 9、信号传输过程中，产生干扰的原因是( ) 1.信号是缓变的 2.信号是快变的 3.干扰的耦合通道 4.信号是交流的 10、对压电式加速度传感器，希望其固有频率( )。 1.接近于零 2.尽量低些 3.尽量高些 4.是任意的 11、常用于测量大位移的传感器有( ) 1.感应同步器 2.应变电阻式 3.霍尔式 4.涡流式 12、将电阻应变片贴在( )上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器。 1.质量块 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第23卷Vol.23第19期No.192015年10月Oct.2015 收稿日期：2014－12－24 稿件编号：201412231 作者简介：胡含凯（1980—），男，陕西西安人，工程师。研究方向：遥测遥控技术。 近炸引信系统大都是借助于探测器获取目标信息，从而实现对目标的探测、识别、定位和毁伤。探测器因探测机理的不同形成了不同的探测体制，常用的探测器有无线电、激光、红外、磁、声等多种类型，其中磁探测由于可抵抗电子干扰且对铁磁目标具有天然的探测优势而被广泛应用。目前，大多数磁传感器的探测机理多是以磁膜探测、霍尔效应、巨磁阻抗（CMI ）效应以及金属涡流效应等为主[1]。发展和应用得比较成熟的如磁通门、霍尔元件和磁阻元件都不能完全满足引信小型化、高灵敏度和低功耗的要求。尽管巨磁阻抗效应可以使磁灵敏度提高10倍左右，但必须在较高外磁场（1MA/m ）下才具有巨磁阻抗（GMI ）效应，并且存在磁滞和温度不稳定性等问题[2]。针对磁探测引信系统中体积小、灵敏度高和功耗低的要求，提出了基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统。 1非晶丝的巨磁阻抗效应 非晶丝是一种新型磁性材料，其显著特点在于：非晶丝 的软磁特性好，体积很小，非常有利于引信系统的微小型化；并在微磁场中非晶丝巨磁阻抗效应有一线性变化范围，从而提高了非晶丝的微磁探测灵敏度[3]。为改善传统磁探测系统的固有缺陷，这种新型材料可以在磁探测体制中进行应用。 非晶丝的巨磁阻抗（GMI ）效应是由日本学者Mohri 九十年代初在具有零或负磁致伸缩系数的Co （钴）基非晶软磁材料中发现的[4]，目前对它的研究已扩大到Co 基非晶丝和纳米晶软磁合金薄带和薄膜[5]。由于非晶丝材料克服了以往磁性元件要依赖较高磁场的缺点；在附加简单的脉冲励磁电路时，非晶丝在微磁场下就能发生强烈的巨磁阻抗（GMI ）效应，且具有灵敏度高、温度稳定性好、无磁滞等优点，因此在微磁探测领域中作为磁敏传感器的敏感材料显示出重要的应用价值。 巨磁阻抗效应表现在Co 基非晶丝、非晶态薄膜或纳米晶合金薄带等材料中通入较高频率电流时，材料两端的阻抗会强烈地依赖于外加于材料轴向上的磁场[6]。通常用外磁场作用下的阻抗变化率来反映巨磁阻抗效应的强弱。若材料是非常好的软磁材料，并且导电性能比较好，那么一个很小的外加磁场就能导致阻抗发生较大的变化，这就是巨磁阻抗效应。 2基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统 2.1 非晶丝巨磁阻抗效应微磁场探测系统的探测灵敏度在非晶丝巨磁阻抗效应微磁场探测系统中，非晶丝微磁 基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统 胡含凯，曹雾 （西安机电信息技术研究所陕西西安710065） 摘要：针对传统磁探测方法不能满足引信探测体积小，高灵敏度和低功耗等要求的问题，本文提出了基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统，是设计励磁电流信号产生电路具备极低的静态功耗，引入负反馈闭环系统对非晶丝磁滞特性进行了抑制补偿，提高了传感器的性能；采用双放大单元组合方案实现高性能的信号处理电路，完成了整体系统的设计。所设计的微磁场探测系统具备了非晶丝巨磁阻抗效应的优势，测试表明，基于非晶丝巨磁阻抗效应设计实现的微磁场探测系统，具备良好微磁探测性能，可应用于近炸引信进行微磁场探测。关键词：近炸引信；磁探测系统；非晶丝；巨磁阻抗效应；微磁场探测中图分类号：TN06 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2015）19－0034－03 The detecting system based on Giant Magneto -Impedance effect HU Han -kai ，CAO Wu （Xi ’an Institute of Electromechanical Information Technology ，Xi ’an 710065，China ） Abstract:To tackle the deficiency of traditional magnetic detecting means cannot satisfy the fuse small volume ，high sensibility and low power cost requirement ，the detecting system based on GMI is proposed in this thesis.The electronic flow signal designed posesses extremely low static power consumption ，and the negtive inner feedback system induced compensate the GMI effect ，that improves the performance of sensor.The system design programme is completed with double amplifier unit.the physical detecting system occupy the superiority of GMI.The experiment shows ，the micro -magnetic detecting system based on GMI design ，which has a terrific detecting ability that can be applied to magnetic detecting on radar fuse.Key words:radar fuze ；magnetic field detecting system ；amorphous wire ；GMI ；Micro -magnetic physical field detecting －34－ 巨磁阻抗效应简介 由于巨磁阻抗效应在磁记录头和传感器中的巨大应用前景，非晶丝和带中的巨磁阻抗效应 (Giant Magneto-impedance GMI)的研究在最近几年引起了广泛的关注。本文将简要介绍最近几年来有关巨磁阻抗效应理论的研究概况，并综述巨磁阻抗材料的研究进展。 GMI 效应与在外磁场作用下软磁导体的交流(AC)阻抗的变化密切相关。可以在经典电动力学的理论框架下予以解释。众所周知，当射频电流流过导体时，在导体的横截面上其电流分右并不均匀。由于趋肤效应，电流主要集中在导体表面。电流密度从表面到内部的变化，可用趋肤深度表示：ωμρ/2=? 式中，ω是射频电流角频率，ρ是导体的电阻率，μ是材料的磁导率。在非铁磁材料中， 与频率和外加直流场无关，而铁磁材料的磁导率不但与频率、AC 磁场幅度有关，而且还与其它参数有关。如外加直流场的大小与方向、机械应变、温度等。GMI 效应的起源主要就在于软磁材料的磁导率与外加直流场密切相关。 由于电流流过导体时能产生圆周方向或切向的磁场(对丝称圆周方向，对带称切向)，具有圆周礁导率的材料是实际应用最感兴趣。非晶或纳米晶台金软磁材料的磁导率可由感生各向异性和一定的磁畴结构得到有效的控制实验 结果和理论分析都证证实材料具有切向各向异性有利于获得显著的GMI 效应。GMI 的理论分析对更好地理解现有实验结果及指导研究具有显著的GMI 效应的新材料有着重要的意义在实际铁磁材料中的趋肤效应比非铁磁材料的趋肤效应更复杂。基于趋肤效应的理论模型要描述GMI 效应的各种现象是困难的。 目前，提出的几种GMI 效应的理论的主要任务都是寻找有效切向磁导率的近似公式。以描述在轴向AC 电流的激励下特定磁畴结构的响应。畴壁位移和磁畴转动均对磁导率有贡献。准静态模型就考虑了畴壁位移和礁畴转动由于这些模 型没有考虑与磁化强度快速运动的动态效应只有在低频情况下应用。 从理论上考虑受 涡流阻尼的畸壁运动对GMI 的影响，发现随激励频率的增加，涡流对畴壁运动的阻尼增加，对磁导率的贡献就主要以磁畴转动为主。磁畴结构的观察表明在高于1MHz 时，畴壁几乎是静止不动的。所以，在高频情况下，只考虑磁畴转动的GMI 理论是合理而方便的。 在高频对更完善的理论模型是要考虑动态效应的。即要建立在Maxwell 方程和 Landau-Lifshitz 动力学方程的同时求解的基础上。实际上要精确求解这两个方程是不可能的，但是如果将 Landau-Lifshitz 方程线性化。并忽略交换作用，与交流磁化有关的磁导率张量就可求得，这样 Maxwell 方程就可以利用磁导率张量在合适的坐标系统下求解。通过同时求解 Maxwell 方程和线性Landau-Lifshitz 方程研究了具有轴向和圆周方向的磁各向异性的非晶丝的GM1效应。对于具有圆周方向的磁各向异性一当外加直流场小于各向异性场时。磁化强度的方向不平行于外加直流场的方向。Maxwell 方程的解就不能用单一的电磁波传播模式和标量阻抗 z 表示，必须引入具有纵向z 和切向z 的阻抗张量。 在上面提到的GMI 模型中，交换作用都被忽略了。由于交换耦合作用迫使近邻电子的自旋方向平行排列，对趋肤效应具有反作用，能增强电磁辐射的穿入深度。铁磁材料中交换耦 第四章 阻抗型传感器 ４.1 电阻式传感器 ４.1.1 电位器式传感器 一、组成 电阻器? ??园弧形直线形 滑臂 二、工作原理 1．把位移x 转换为电阻R x 2．把位移x 转换为电压U x 三、输入—输出特性 1．线性特性——线性电位器 x L R R x ?= x L U R R U U x x ?=?= 式中L ——触点行程 x ——触点位移? ??角位移线位移 2．非线性特性——非线性电位器 )(x f R x = 非线性函数 )(x f R U U x ?= 四、结构形式 1．接触式?? ?非线绕电位器 线绕电位器 2．非接触式――光电电位器（图1-1-2） 五、用途：①测量位移； ②测量可转化为位移的其他非电量 例题４－１已知图４－１－１（b ）中电位器式传感器的电阻器呈园弧形，圆弧电阻为R ，圆弧半径为r ，圆弧长为L ， )(2360)(度弧度π γ γ β? ? = = L L 2 0R R = β α ? =?R R βαβα22/0==?R R ??? ??=?=?=?--?+=2902)22( 000000L r U U R R U R R R R R R U U πβα α测量范围为2/β± 4.1.2 电阻式应变传感器 一、应变式传感器 （一）电阻应变效应——应变传电阻变化 1．应变：图4-1-3 纵向线应变c dl /=ε 横向线应为με-=r dr / l dr r dr //=μ泊松比 面应变 με22 /-==r dr A dA 体应变 εμ)21(/-=+=A dA L dl V dV 2．导体电阻及其变化 A L R ? =ρ ρ ρεμd A dA L dL R dR ++=-=)21( 金属材料 εμρ ρ)21(-==c v dv c d 半导体材料 επρ ρ E d = π——压阻系数 E ——弹性模量 3．应变效应表达式： ε00 K R R =? 00/K R R ?=ε 0K ——应变材料的灵敏数 金属材料：μμμ21)21()21(0+≈-++=c K 约1.0~2 半导体材料：E E K ππμ≈++=)21(0 约50~100 （二）电阻应变法 1．组成结构——图4-1-4 2．分类：金属应变化、半导体应变化 丝式应变法、箔式应为法、薄膜应变法 3．安装——粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致） ε?=?K R R K ——应变法灵敏系数 巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。 图 1 反铁磁有序 后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在 巨磁电阻效应 ――GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量 【实验目的】 1. 掌握GMR 效应的定义； 2. 了解GMR 效应的原理； 3. 熟悉GMR 模拟传感器的构成； 4. 测量GMR 磁阻特性曲线。 【实验仪器】 ZKY-JCZ 巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线 【实验原理】 一、巨磁电阻效应定义及发展过程 1、定义 2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。 巨磁阻到底是什么？ 诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。 “巨磁电阻”效应（GMR ，Giant Magneto Resistance)是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。 2、发展过程 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。直接交换作用的特征长度为0.1-0.3nm ，间接交换作用可以长达1nm 以上。1nm 已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以1970年之后，科学家就探索人工微结构 中的磁性交换作用。 1988年法国的M.N.Baibich 等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters 上发表了有关Fe/Cr 巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺（MBE ）制成 图1（Fe/Cr ）n 多层膜的GMR 效应特性曲线 实验十四巨磁电阻效应及应用 【实验目的】 1.了解GMR效应的原理 2.测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3.测量GMR的磁阻特性曲线 4.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5.用GMR传感器测量电流 6.用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理 7.通过实验了解磁记录与读出的原理 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪 【实验原理】 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G 乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。 本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自 221 安全检测常用传感器 第3章安全检测常用传感器 第三章安全检测常用传感器 1. 传感器的分类温度传感器 物理量传感器压力传感器 按输入量（被测对象）分类化学量传感器位移传感器 生物量传感器从传感器的转换原理来说：结构型、物性型 按转换元件的能量转换方式：有源型（能量转换型）和无源型（能量控制型或参数型） 按输出信号的形式传感器可分为：开关式、模拟式和数字式 按输入、输出特性传感器可分为：线性和非线性 2. 结构型传感器：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器 2.1电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应 变转换为电阻的变 化，从而实现电测非 电量的传感器（原理 基于电阻应变效应） 2.1.1 电阻应变效应：电阻材料的电阻值随 机械变化的物理现象 2.1.2 压阻效应：电阻材料受到载荷作用产 生应力时、其电阻率发 生变化的物理现象 2.1.3 金属材料的电阻率相对变化正比于 体积的相对变化 2.1.4 金属材料的应变电阻效应：金属材料 的电阻相对变化与其线 应变ε成正比 =(1+2μ)+ E 2.1.5 应变灵敏度系数：K s 2.1.6 应变片测量应变的基本原理：外力作 用而引起的轴向应变， 将导致电阻丝的电阻成 比例地变化，通过转换 电路可将这种电阻变化 转换为电信号输出 2.1.7 电阻应变计：把应变丝制成栅状的应 变敏感元件 2.1.8 电阻应变片(简称应变片）由敏感栅、 基底、覆盖层、引线和 粘合剂构成 2.1.9按加工方法,可以将应变片分为以下 四 种 ： 丝 式 应 变 片 、 箔 式 应 变 片CHR-01阻抗型高分子湿度传感器湿敏电阻产品规格书
PPT：GMI Sensor 巨磁阻抗磁传感的原理及应用介绍
电涡流式传感器
巨磁阻抗效应及其应用_董延峰
基于非晶合金非对称巨磁阻抗效应的磁传感器设计
电阻应变式传感器
[讲解]巨磁阻效应的原理及应用
西南大学17秋[0928]《传感器与测试技术》作业答案
4.涡流式 4、应变片的选择包括类型的选择、材料的选用、阻值的选择和( )等。 1.测量范围的选择 2.电源的选择 3.精度的选择基于非晶丝巨磁阻抗效应的微磁场探测系统
巨磁阻抗效应
4、阻抗型传感器
巨磁电阻效应及应用实验
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