磁传感器-发展历史及测量机理

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（Giant magneto resistance 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“NiFe／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——自旋子学逐渐兴起起来。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。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0.5Oe，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1显示这种传感器的具体工作原理。

图1 磁场传感器的导航原理

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200Oe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。

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