巨磁电阻传感器的应用研究会议巨磁电阻传感器的应用研究会议.docVIP

巨磁电阻传感器的应用研究 李巧燕 摘 要:巨磁电阻(GMR)传感器作为磁敏传感器家族中的一枝新秀,以其卓越的性能正越来越为人们所重视。综述了几种GMR传感器如测微弱磁场GMR传感器高线性GMR传感器及数字脉冲型GMR传感器的特性、应用领域和工作原理。 关键词:巨磁电阻;传感器;灵敏度 随着工业自动化生产和科技的进步各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器已经成为各个应用领域特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要技术工具传感器技术与信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。 巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)[1~3]传感器的原理是基于电子自旋相关散射效应它是磁敏传感器家族中一枝新秀具有灵敏度高、探测范围宽、抗恶劣环境等优点GMR传感器可探测的磁场范围为(10-8~108)×(103/4π)A/m并且灵敏度高达100mV/[V×(103/4π)A/m][4]同时可利用半导体曝光和刻蚀工艺使该元件集成化、小型化利用各种不同GMR薄膜材料和硬磁薄膜材料(CoPtCrSmCo)及软磁薄膜材料(CoZrNbNiFeN)可以作出各种不同用途的线性和数字型磁场传感器GMR磁场传感器的性能价格比远远优于其它几种磁场传感器。2巨磁电阻传感器概况 2.1巨磁材料的分类 按照巨磁材料的结构，可以得出图1的分类总图，　2.2巨磁电阻传感器的发展 巨磁电阻传感器的原理是基于电子自旋相关散射效应。1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR自旋阀器件，2000年左右已研制出利用GMR效应的位置传感器，在2000年的第三届欧洲磁场传感器和驱动层间耦合特性的多层膜自旋阀多层膜颗粒型多层膜钙钛矿氧化物型多层膜钉扎型非钉扎型GMR材料巨磁电阻传感器的应用 探测微弱磁场的GMR传感器 GMR材料相对于AMR效应材料具有更大的磁电阻变化率，而且GMR材料克服了AMR材料固有的巴克豪森噪声。现代先进的半导体集成工艺可以将GMR传感器的体积制得非常小，体积小而又灵敏度高的磁场传感器当然可以探测更为微弱的磁场。这种可探测微弱磁场的GMR传感器最早被商业化应用在磁记录领域作为硬盘的读出磁头[5]。图a是一种自旋阀(SpinValve,SV)[10]结构的GMR读出磁头简图图b是磁记录过程示意图。如图a所示GMR读出磁头这种自旋阀结构分为三部分钉扎层、铜隔离层和自由层。钉扎层的磁矩固定不变自由层的磁矩受磁记录介质的磁场影响而发生改变。由于钉扎层的磁矩与自由层的磁矩之间的夹角发生改变导致GMR自旋阀的电阻改变进而影响读出电流的变化如图b所示薄膜集成的GMR磁头体积变小磁记录介质的存储单元也随之变小这样存储密度就大大提高了。目前GMR磁头已经占领磁记录市场的95%每季度的产值高达10亿美元[11]。GMR传感器这一种特性也被用来探测地磁场。地球表面的磁场大约为39.8A/m(0.5Oe),地磁场平行于地面并始终指向北方。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[14]固定在交通工具如船只、车辆上瞬间航向与地球北极夹角可通过GMR传感器的X和Y方向的电压相对改变而确定下来图2给出了工作原理。GMR传感器随船舶运动船航行的方向改变传感器与地磁场的夹角也随之改变相对来说也就是地磁场的方向在改变。利用这一原理已经研制成高级罗盘用在潜艇的自动导航系统里。这种可以同时探测磁场X-Y分量的GMR传感器[14]也可用在机器人机械手上用来寻找物体(磁性特征标记)。2.3.2 线性GMR传感器 这类GMR传感器在较宽的磁场范围(15.92kA/m)内具有很好的线性度。这种传感器采用了GMR多层膜(电桥中四个电阻为GMR元件)和永磁薄膜的半导体集成技术，开拓了利用集成及不用额外磁场热处理的永磁薄膜作为偏场而用在磁场惠斯登电桥传感器。可以同时得到大小相等并高达15.92kA/m(200Oe)、方向相反的偏场并用在单个GMR传感器的旁边。该传感器探测磁场范围可到±15.92kA/m，而线性度达到0.99993[15]。电流的周围会产生磁场,在某一点的磁场强弱与电流的大小成线性关系，因此可以通过测量电流周围产生的磁场而知道电流的大小。使用这种高线性范围GMR传感器可测量直流和交流，电流范围0~10000A，响应频率可达1MHz[16]。由于GMR传感器具有很高的灵敏度，无需外加软磁芯聚磁，因此体积小，造价低，可以作为在线电流监测/反馈装置，如电流保护器、电流控制器、开关电源电流反馈电路等。利用这种GMR传感器的高线性特性，也可以用来测量位移。如图3所示，在滑杆下放置一圆柱形永磁体，位置A与位置B在磁场的线性变化区域内。当GMR传感器在A、B之间滑动，就会得到一条线性变化的曲线，通过调试和电路显示，就能将GMR传感器