（凝聚态物理专业论文）新型巨磁阻抗传感器特性研究.pdf

摘要 本文简单介绍了磁性传感器发展的基本情况，介绍了包括线圈传感器、磁通 门传感器、霍尔效应传感器、磁阻传感器、巨磁阻传感器、s q u i d 传感器、巨 磁阻抗效应传感器等一系列磁性传感器，并着重介绍了巨磁阻抗效应的原理及其 应用这种原理研制的磁性传感器，取得了如下的结果。 1 对于非线性非对角化g m i 传感器，灵敏度与线圈的直径、长度和匝数，也与 线圈导线直径相关其中，与线圈的匝数，驱动频率成正比，与线圈长度、直 径及导线直径成反比。采用的2 3 p m 的c o 基非晶玻璃包裹丝制作传感器， 灵敏度达到2 3 m v l m g - s ( 2 8 9 m v a m 1 ) 。 2 通过相敏检波的方法。将一个幅值随外场变化大的正弦信号转化为一个随外 场变化的直流电平。得到直流信号的量程在“o o m g s ( 3 1 8 3 a m - 1 ) ，在量程范 围内其线性相关系数达到了0 9 9 9 9 ，其灵敏度达到了斜率为5 4 6 即灵敏度达 到5 4 6 m v m g s ( 6 8 6 m v a m 1 ) ，分辨率达到了1 铲t 量级。通过数字电路将 电压信号转换为数字信号。 3 利用高磁导率软磁材料，制作了一个7 层结构的屏蔽桶，并且装有用于退磁 场和磁场补偿的内置线圈。屏蔽桶的直流屏蔽因子t 1 7 麟为1 8 0 ，交流屏蔽因 子在o 1 1 0 0 h z 为2 0 。 关键词：磁传感器，巨磁阻抗，相敏检波，线性，灵敏度，磁屏蔽 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，1w i l ls u m m a r i z et h eb a s es i t u a t i o no ft h em a g n e t i c $ 1 e n s o l , i n e l u c l i n gc o i ls e n s o r 9f l t g a t es l ：n s o r , h a l ls e n s o r , m a g n e t o r e s i s t a n c es e n s o r , g i a n t i n l l g n c t or e s i s t a n c et i e i i s o i , s q u i ds e n s o r , a n dg i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c es e n s o l 1 w i l lp u tt h ee m p h a s i so nt h e r , r i n e i p l e so ft h eg i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c ee f f e c t a p n y i n gt h i se f f e c t , ih a v ed e s i g n e da n e w t y p em a g n e t i cs s o r f i n a l l y , ic 趾d r a w t h ef o l l o w i n ge o n e l u s i o m 1 i nan o n - l i n e a rn o n - d i a g o n a lg m i $ e l 1 s o l ，t h ep i c k u pc o i lp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g t h el 鼬g l l l t h ed i a m e t e ro f e o i lt u b e ，t h en t t m b c ro f t u m s 够w e l l 鹪t h ed i a m e t e ro f t h ec o i lw i r e ，i nr e l a t i o nt ot h es l e n s o rs e n s i t i v i t yi e l t r l i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h es e n s i t i v i t yi sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h ea cd r i v i n gf r e q u e n c y , a n d t h en u m b e ro f t u r nd e n s i t yo f t h ep i c k - u pc o i l w i t hs m a l l e rw i r ed i a m e t e r , s m a l l e r c o i ld i a m e t e ra n ds m l l l e i c o i ll e n g t h , t h es e n s o rs e n s i t i v i t yi m p r o v e s u s i n g c o - b a s e dg l a s s - c o a t e da m o r p h o u sm i e r o w i r e s2 3 1 a mi nd i a m e t e ra s s e n s i n g e l e m e n t , t h es e n s i t i v i t yi su pt o2 3 m v m c - s ( 2 8 9 m v a m 1 1 2 u s i n gt h ep h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o nm e t h o d , t h eo u t p u ts i g n a li nv a r i a t i o nw i t ht h e e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw f l sc o n v e r t e dt oad c s i g n a l t h em c 枷r i n gr a n g eo ft h e f i e l d i s = t = 4 0 0 m g s ( 3 1 8 3 a m ) t h e l i n e a r i t y c o e f f i c i e n t i s 0 9 9 9 9 ，t h es e n s i t i v i t y i s5 4 6m v m g s ( 6 8 6 m v a m 1 ) ，t h er e s o l u t i o nr e s p o n s ei su pt o1 0 t b yu s i n g 1 3 d i 班c i r e t t i t , t h es i g n a lc l t l l _ b ec o n v e r t e dt ot h ed i g i t a ls i g n a l 3 u s i n gh i g hp e r m e a b i l i t ym a g n e t i cm a t e r i a l s ，ih a v ed e s i g n e das l ：v c nl a y e r s s h i e l d i n gc y l i n d e rw i t h 趾i n s i d ec o i lt oc o m p e n s a t ed e m a g n e t i z a t i o na n dg i v e 孤 o f f s e tm a g n e t i cf i e l d t h ed cm a g n e t i cs h i e l d i n gf a c t o r 1 7 d ci s18 0a n da c s h i e l d i n gf a c t o ri s2 0 a to 1 - l o o h z k e yw o r d s ：m a g n e t i cs e n s o r , g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c e ，p h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o n , l i n e a r i t y , s e n s i t i v i t y , m a g n e t i cs h i e l d i n gc y l i n d e r 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内客外，本论文不包含其 他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均巳在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：主拦连 日期： 2 盈2 ： 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：马廷琦导师签名：辔乖量 第一章绪论 1 1 引言 磁性传感器用于检测磁场的存在，测量磁场的大小，确定磁场的大小或方向 是否有改变。磁性传感器可用于检测静止的物体以及汽车、地铁、火车及飞机等 运动的铁磁物体；门或阀门的开关，如轮船货舱门；一个物体的位置，如磁性防 盗标签；一个物体的某一个部位，如机械臂或需要监测的点；或者用于跟踪虚拟 现实和运动信息监控等应用。 高速发展的科学技术和工业生产对传感器的要求不断提高，人们不断追求 更加微型化，更高灵敏度，更快速响应，更好稳定性的传感器。磁传感器可以探 测外磁场的存在、强度和方向，并可以将相应的磁场信号转换成电信号，很广泛 地应用在探测地球、永久磁铁、磁化的软磁材料、生物活动和电路等产生的磁场， 对人类的活动和健康帮助巨大。相对于其它传感器，磁传感器安全、非接触、可 靠、维护费用低。因而使用范围不断扩大【1 一_ 4 1 目前实践中应用较广泛的 磁传感器有线圈传感器，半导体( h a l l ) 传感器，磁通门( f l u x g a t e ) 传感器， 磁阻( m a g n e t o r e s i s t a n c e 。m r ) 传感器，巨磁阻( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 传感器，共振传感器( r e s o n a n t ) ，磁光传感器( m a g n e t o o p t i c a l ) ，超导量子干涉 传感器( s q u i d ) 巨磁阻抗( g i a n tm a g n e t o i m p e d a n c e ，g m d 传感器。 我们一般用下列参数来描述一个磁性传感器的特性。 l 、灵敏度：传感器对磁场变化的敏感程度，变化相同的磁场传感器输出信 号的变化越大则传感器的灵敏度越高。 2 、分辨率：分辨率指磁场能够分辨出的最小磁场。 3 、量程：传感器所能测量的磁场范围。 4 、线性度：传感器的输出信号随磁场呈线性的程度。 5 、磁滞：即磁场来回变化时传感器的输出信号是否在每一个磁场值下都相 同如果同一性越好说明磁滞越小，磁滞越小越符合我们的期望。 6 、长期稳定性：长期稳定性是指在很长的一段时间里，传感器的输出信号 不会发生变化。 7 、噪声：当测量磁场为0 的时候传感器的输出波形。 磁场测量一般相对地磁场可分为三个测量范围。在每个范围中，能在其环 境中最适合用于这种情况的磁性传感器型号也不同。第一个磁场范围远大于地球 磁场( 如在永久磁铁或大电流附近) 。其范围为1 0 0 奥斯特( o e ) ( 7 9 6 0 a m 1 ) 或更 高。第二个磁场范围约等于地球磁场或0 6 0 e ( 4 7 7 6a n l 1 ) 。第三个磁场范围远远 小于地球磁场，它们在m o e ( 0 0 7 9 6a m d ) 或更低范围内。 具体的例子如下： 脉冲星( 密度为1 0 1 0l 【g 。m 3 的很小的星体) b = 1 0 0 f r 白矮星( 密度为l 0 0 0 k 咖m 3 的小星体) b l ” 短脉冲实验场 b = 6 0 - - 1 0 0 t 核聚变实验 b - 1 0 - - 2 0 t n i v l r ( 核磁共振) 断层摄影术( 1 米直径的超导磁体) b = 4 t 实验室磁场 b = 之5 t 永磁体表面 1 3 = 1 0 0 m t _ 一1 t 电力机械和电缆( 大约1 0 米距离) b 锄1 m l o m t 地球磁场( 地磁南极在地理北极附近) b 6 0 p t 在电子用具附近( 大约1 0 米) b 6 0 0 n t 银河系背景磁场 b 如2 5 n t 人体磁场( 大脑，心脏) b l p t 在每个范围中，能在其环境中最适合用于这种情况的磁性传感器型号 也不同下图为各种传感器的测量范围。 2 m a g n e t i cs e n s o r t e c h 叫o w d e t e c t a b l ef i e l dr a n g e ( t e s l a ) 1 0 i z1 0 j t 0 4t o o t 0 4 s q u i d f i b e r - o p t i c o p t i c a l l yp u m p e d n u c l e a rp r o c e s s i o n s e a r c hc o i l e a r t h sf i e 磁 a n i s o t r o p i cm a g n 酏o r e s i s t i v e f l u xg a t e m a g n e t o t r a n s i s t o r g i a n tm a g n e t o - i m p e d a n c e m a g n e t o - o p t i c a ls e n s o r g i a n tm a g n e t o r e s i s t i v e h a l i 仟e c ts e n s o r 图1 0 现有传感器的量程 f i g 1 0 e x i s t i n gs e n s o r si ) e t c c t i o nr a n g e 1 2 线圈传感器 线圈传感器是最早出现的磁性传感器之一根据法拉第电磁感应定律，通 过线圈的磁通量的变化将导致线圈产生感应电动势，在变化的磁场区域中放置线 圈就可起作用。通过改变磁场就能测量线圈中感应的电压。当穿过通电回路的磁 通量有随时间的变化，这个回路中就会产生感应电压。 吒，= 一等= 一nr 警州， ， 线圈型传感器用于这样的情况下即被测量的磁场是变化的。有很多方法可 以实现这种原理线圈传感器的一个常见的应用是红绿灯信号的动态管理【5 6 1 ， 系统运行时线圈通常大而成本高。 罗氏线圈传感器【7 1 是常见的线圈传感器，如图1 1 所示是一个罗氏线圈传感 器的实物 图1 1 罗氏线圈传感器 f i g 1 1 r e 圮o i lc o i ls e l 强o r 1 3 磁通门传感器 磁通门，同样基于法拉第电磁感应定律。 通常是用两个芯( 铁磁材料制俄的) 组成，但也可以是用一次或二次绕组 绕成的环或圈结构。如图1 2 这两个芯做成螺线管( 用一次绕组缠绕) ，使其缠 绕的方式可以产生两个互相相反的驱动磁场。频率珀q 驱动电流在两个螺线管通 过，在驱动磁场的作用下两个芯的磁化作用处于相反方向。 二次绕组测量两个芯产生的净余磁通量。在没有外部磁场的情况下，假定 两个芯和螺线管是相同的，则在二次线圈里的净磁通量为零。这样在二次线圈中 就不会有感应信号产生。当沿着铁芯的轴线方向施加一个外部磁场时，其中的一 个芯将首先达到磁化饱和。磁通门的输出信号的频率是驱动频率珀q 二次谐波。 施加一个小磁场时，= 次谐波的波幅与施加的磁场成正比。 h j 一外磁场 i e x 一驱动电流 e s _ 一输出信号 图1 2 双芯磁通门 f i g 1 2 p a r a l l e l - t y p ef l u xg a t e 磁通门也可以如下图1 3 所示是单芯的。 图1 3 单芯磁通门 f i g 1 3 s i n g l e - r o df l u xg a t e v 。驱动电压b a 一i 夕 磁场i 训一- 输出信号 b o 一 心l 喜 e t t ， aal _ - 卜 u 。 【= 1 l 。a 。，i 厂 尸、， l 少飞， 薯 e t。盆卢 t 一 一一 | t 八几 u l 一， 立一划 上 - ) b ) 图1 4 简化磁通门波形 f i g 1 4 s i m p l i f i e df l u x g a t ew a v e f o r m h o 外场 h 。r - 驱动场 v i - 输出信号 如上图1 4 所示，在没有外场的情况下材料的磁化曲线是对称的，因而感应 信号也是对称的但是当有外磁场存在的情况下，材料在一个方向下磁化首先饱 和，所以磁化曲线不再对称，从而使得感应信号也不再对称，这个变化的饱和位 置像一扇门一样，所以我们称之为磁通门。 磁通门可以在制造工艺上使其非常敏感，分辨率最低为0 0 1 0 e ( 0 7 9 6a m “) 可以测量直流或交流磁场。频率的上限为l d - l z 量级。与霍尔和磁阻传感器相比， 它们的尺寸规格较大，价格也更贵。 磁通门传感器的应用十分广泛，在导航，医疗器械，工程测量嘲，航天检 测，地球磁场测量【9 1 0 1 空间站搭载设备【l l 1 2 1 领域都有应用。 如图1 5 所示的就是德国生产的数字磁通门磁力仪d m 系列，可以用于较 高精度的磁场测量本文研究所用来定标的f m 3 0 1 0 传感器也是磁通门传感器， 后文会有详细介绍 6 图1 5 数字磁通门磁力仪d m 系列 f 地1 5 d i g i t a ln u x g a l e 辩n s o r 1 4 霍尔效应传感器 霍尔效应传感器一般用于测量1 00 e ( 7 9 6a m - 1 ) 至几千0 e ( 几十万a m 1 ) 的磁场 最为理想。在存在磁场的情况下，霍尔效应发生在通电流的金属或半导体中。在 磁场存在的情况下，载流半导体或金属器件置于磁场中会产生电压，这个霍尔电 压和电流与磁感应强度成正比。如图1 6 ( 1 ) 所示： 导电材料一般是矩形薄板，沿x 轴方向施加了一个电压v n 产生电流，在 板的y 轴方向施加了一个磁场b ，在z 轴的方向上产生了一个霍尔电压v h 由下 式求得： 其中 v l 2 ( b d b v n m l - 一一霍尔迁移率 b 霍尔板的宽度 ，一长度 或者v h = p 堕 d 其中 r i 霍尔系数 d 材料的厚度。 7 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 豳1 霍耳效应示意圈豳2 霍耳效应解释 图1 6 ( 1 ，2 ) 霍尔效应 f i g 1 6 h a l le f f e x t 由于洛仑兹力作用在用导电材料制成的电荷载体上而产生的霍尔效应等于： f = q ( v b )( 1 4 ) 其中q 是电荷载体上的电荷，v 是电荷载体的速度，b 是磁场。 力使电流变形，并将其挤向导电板的一侧。这造成x 轴上的等势线变形， 导致产生霍尔电压。如果霍尔板的长度远大于宽度，则霍尔电磁场与洛仑兹力相 平衡，电流变成与y 轴平行。 霍尔效应是于1 0 0 多年前发现的，现在基于霍尔效应的传感器几乎已经成为 了应用最为广泛的传感器。比如在汽车工业中，几乎每一辆新车都会用到霍尔传 感器作为位置传感器。长期稳定性，噪声和温度特性也决定了霍尔效应传感器的 应用。长期稳定性，对灵敏度和补偿很重要。长期稳定性取决于表面效应。我们 设定传感器的灵敏读为s i 那么理想的长期稳定性应该达到： a a 兰2 = 1 0 0 y e a r ( 1 5 ) s j 在弱磁测量中噪声因素显得尤其重要。通常l 臁声是烦扰度最大的，如果 使用很好的材料和合理的结构1 f 噪声可以减小几个数量级。在一个高质量的硅 霍尔传感器中0 1 i - i z 到1 0 h z 范围的噪声大约l “t 。由于作为材料的半导体的特性 会随温度的变化有所变化，所以霍尔效应传感器的灵敏度会对应温度有不同的表 现，为了拓展霍尔效应传感器的使用温度范围可以选用适当的半导体材料。 霍尔效应传感器在生活和工业领域有广泛的应用。这些应用包括电流测量 【瑚，磁感应强度测量，位移测量和力的测量、计数、转数和转速的测量，杨氏 模量的测定0 4 1 ，钞票识别h 1 等等。尤其是在汽车工业领域中霍尔效应传感器的 应用极广。在一辆汽车中会有大约几十个霍尔效应传感器在同时工作，在汽车汽 缸点火器中做电子点火；做汽车发动机转速和曲轴角度传感器：做各种自动门和 窗的开关系统；傲速度表和里程表；做防锁死刹车系统o 心s ) 中的速度传感器； 各种液体液位检测器；做各种用电负载的电流检测及工作状态诊断；发动机熄火 检测；作自动刹车系统( 替代手刹) 中的速度传感器；作蓄电池充电的电流控制器 等。【1 司 图1 7 霍尔效应齿轮传感器图1 8 霍尔效应电流传感器 f i g 1 7 h a l le f f e c tw h e e ls e n s o r f i g 1 8 h a l le f f e c te l e c t r i cc u r r e n ts e n s o r 如图1 7 和1 8 所示的是霍尔效应齿轮传感器和霍尔效应电流传感器的实物 圈，这些霍尔效应传感器在灵敏度方厩和其他一些传感器有些差距，但在其适用 的测量范围里，其具有极高的性价比，在工业生活中广泛应用。 1 5 磁阻传感器 所谓的各向异性磁e f t ( a m r ) 是当施加的磁场垂直于用铁质材料制成的薄板 中的电流时，材料本身的电阻明显有变化。如图1 9 所示： 图1 9 各向异性磁e f t ( a m r ) 原理图 f i g 1 9 p r i n c i p l eo f a m r 9 磁阻传感器传感沿着空间一个方向的磁场，在测量范围上，它们属于霍尔效 应传感器和s q u i d ( 超导量子干涉传感器) 之间的传感器。s q u i d 可测量小于i o e ( 7 9 6a m 1 ) 几个数量级的磁场。磁阻传感器通常用于测量1 0 e ( 7 9 6a m 4 ) n 1 0o e ( 7 9 6a m 1 ) 的磁场。许多应用既可使用霍尔效应传感器也可使用m r 4 * 感器，但在 需要低灵敏度，而较宽的线性范围时，应使用霍尔效应传感器；在要求高灵敏度 时，则使用m r 传感器。 为了用a m r 元件构建传感器可以将四个元件布置成金刚石形状并通过金 属将它们的端部彼此连接在一起以形成惠斯顿电桥【1 7 1 。 图l 1 0 a m r 元件传感器示意图 f i g 1 1 0 a m re l e m e n ts e t l s o r 如图1 1 0 所示四个磁控电阻器制成的惠斯顿电桥带有一个供电电压v b ，致 使电流通过电阻器。施加一个偏磁场，使在所有电阻中的磁化强度和电流间有一 个约4 5 。的夹角。如果电阻器是同一种结构，则所有四个电阻器的电阻是相同的， 正交施加磁场h 使相对的两个电阻器磁化而转向电流有一个增量r 。在剩下的 两个反向放置的相对的电阻器中，由于磁化而转离电流，导致两个电阻减少r 。 电桥输出为a o u t = ( r a r ) v b 。作为施加磁场函数的电桥输出o u t 被称为传感 器的传递函数在线性区内，输出与施加的磁场成正比( v = s h v b ) 。s 灵敏度 和传递函数的线性范围对于传感器来说是两个重要特征。传递函数的线性范围与 灵敏度成反比 磁阻传感器是由一长条铁磁薄膜( 如透磁合金、镍铁合金) 制成的。m r 传感 器有下列属性： l 、尺寸小 2 、高灵敏度。 1 0 3 、由于内阻抗小稳定性好，使其对电磁噪声和干扰不敏感。 4 、由于部件能方便地装入在插板产品中，而使实施成本降低。 采用各向异性磁咖传感器传感磁场位置逐渐成为一种非接触测量运动物 体位置的常用方法【1 8 1 。g r 传感器可根据物体的磁性信号的特征支持对物体的识 别。这些特性可应用于如检测设备的安全系统中，如用于在关卡上对来往车辆进 行检测。它特别适用于货币鉴别，和固态电子定向罗盘【1 9 】，以及跟踪系统，如 在虚拟现实设备中，在电力技术，医学，汽车工业方面有广阔的应用 2 0 2 1 2 2 。 1 6 巨磁阻效应传感器 所谓巨磁电阻( g m r ) 效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁 场作用下急剧减小，而a r r 急剧增大的特性。g m r 基于电子通过数层叠层，非常 薄的铁磁层和非磁性层( 2 5 5 0 埃) 之间的a m r 界面散射。由于上述效应与磁阻效 应相比显得大而如此命名，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻效 应约高1 0 倍 g m r 是由法国的m n b a i b i c h 等人在1 9 8 8 年发现的，已成为重大研究课程。 通过新兴的技术有希望制造出高灵敏度的小型传感器。巨磁阻效应传感器应用于 非接触位置测量1 2 3 ，交通速度监测刚，电力系统1 2 5 ，生物探钡l j 2 6 的多种领域。 尤其1 9 9 4 年c t s a n g 等研制出全集成化的g m r 器件一自旋阀。同年，美国的i b m 公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了1 7 倍，达 5 g b i t 6 4 5 e m 2 ( i n 2 ) 【2 钆2 t ，到现在基于g m r 技术的磁盘记录密度甚至超过了 8 0 g b i t 6 4 5 c m 2 ( i n 2 ) 。 1 7s q u i d 传感器 s q u i d 传感器即超导量子干涉传感器，s q u i d 传感器可以测量到小到1 0 4 o z i z 的磁通量变化，其灵敏度可以达到f r 的数量级。如此之高的灵敏度可以 用于生物磁场的测量。 s q u i d 传感器可以说是现今最灵敏的传感器，广泛的应用于实验室领域如探 测被照射的奥氏体不锈钢中由于氢引起的晶格断裂磁化系数时用来测量磁通密 度渊以及金属的无损检查和无损评价【3 0 1 等等。但是s q u i d 传感器一般来说体积 很大配套设备很多，只能用于固定的场所，而j l s q u i d 传感器的造价十分昂贵， 这些欠缺限制了其更广泛的应用。 图1 1 l 约瑟夫结 f i g 1 1 1 j o s e p h s o nj u n c t i o n s q u i d 传感器是基于约瑟夫隧道电流效应的【3 。在经典力学中假如两个 空间区域被一个势垒分隔开，则只有在粒子有足够的能量穿越势垒时，它才会从 一个空间进入另一个空间。而在量子力学中，却不是这样的。足够的能量不再是 粒子穿越的必要条件。一个能量不大的粒子也有一定的概率穿越势垒，这就是隧 道效应。 如图1 1 l 所示如果s i s 隧道结的绝缘层只有l n m 左右的时候，会出现一 种特别的隧道现象，即库柏电子对隧道效应，电子对在穿越势垒以后仍然保持着 配对的状态。在不存在任何电场的时候，有直流电流通过结。 d = 山s i n 8 = 山s 呱岛一0 0 ( 1 6 ) j 是通过结的超导电子对电流，5 是相位，j 。正比于迁移相互作用。电流 j 0 是能够通过结的最大零点电流。这就是直流约瑟夫效应当两个结的两端施加直 流电压的时候，电流发生震荡，其频率是o a = 2 e v h 这就是交流约瑟夫效应。 当直流磁场加到包括两个结的超导电路时，会使最高超导电流随外磁场的 强度发生变化，这就是宏观长程量子干涉。超导量子干涉仪( s q u i d ) 就是利用 这个效应工作的。s q u i d 要求的约瑟夫效应结应该是没有磁滞的，所以在应用 的时候我们用一个足够小的电阻把薄膜微桥或隧道结并联起来。超导量子干涉传 感器( s q u i d ) 的灵敏度主要受到结电阻产生的热电阻的影响，这是其主要的限 制因素。 1 8 巨磁阻抗效应传感器 1 8 1 概述 与其他磁传感器相比g m i 传感器灵敏度高，且是唯一能同时满足高灵敏 度，尺寸微型化，响应速度快，功耗低和磁滞小等要求的磁传感器。随着巨磁阻 抗效应研究的深入，基于g m i 效应的磁敏传感器越来越多，日本a i e h i 公司已 将其集成到手机来指示方向和运动方向。 1 9 9 2 年m o h r i 等人首先在c o f e s i b 非晶丝中发现其具有良好的阻抗效应， 并测得其阻抗变化达7 5 室温时拉应力退火的丝的阻抗变化比为9 0 以上， 灵敏度达1 0 o e 它具有灵敏度高、无磁滞、响应快和稳定性好等特点，在磁记录、磁敏传 感器等方面具有广泛的应用前景，引起了各国学者的广泛关注。人们不仅在多种 磁各向异性系数k 小、磁致伸缩系数h 小的丝、带、膜中发现了g m i 效应。 理论研究方面，g m i 效应可以通过经典电动力学理论来解释：当交流电流 通过导体时由于趋肤效应，趋肤深度为氏=式中胁为丝的环向磁导 率，为电流角频率，o 为电导率。外磁场可以影响材料内部的等效场，使材料 的有效磁导率发生变化，从而导致材料的趋肤深度发生变化，而趋肤深度变化意 味着驱动电流流过样品的有效面积发生了变化，从而引起样品的有效阻抗发生变 化，最后导致巨磁阻抗效应的产生，这就是g m i 效应的基本来源。高频时，其 机理涉及到磁感应效应、趋肤效应和铁磁共振效应等。 通过对o m i 效应十多年的研究，该效应在材料种类，样品形式以及理论解 释等方面均取得了很大的突破。早期对g m i 效应的研究主要集中在具有零或负 磁致伸缩系数的c o 基非晶软磁合金丝。而后，其在材料上扩展到了以f e c u n b s i b 及n i f e 等为代表的f c 基材料；在样品种类上也进一步扩展到了薄带、薄膜、粉 末、复合结构丝和复合结构薄膜。复合结构丝有玻璃包裹丝、b e c u 丝外电镀或 化学镀软磁镀层等形式；复合结构薄膜则包括有三明治薄膜、多层膜、导电层与 铁磁层问引入绝缘层的三明治薄膜等。 1 8 2 巨磁阻抗的测量方法 巨磁阻抗的测量方法可以分为两大类即横向驱动方法和纵向驱动方法，而在 具体实施的时候按照取得信号的不同方式又可以各分为两种不同的方法。如图 1 1 2 所示所谓横向驱动是指驱动磁场的方向是沿着材料的横向或者说环向。在材 料丝中只要直接通以驱动电流就可以得到一个环向的驱动场。如果直接从丝的两 端取信号我们称之为四点法或两点法。如果我们在材料的外面加上一个线圈，那 线圈和材料将组成一个等效电阻，我们从线圈的两端取阻抗我们称之为横向非对 角测量方法。而所谓的纵向驱动是指驱动磁场的方向是沿着材料的纵向。一般我 们在材料的外部加上一个线圈使线圈的轴向和丝的轴向重合，在线圈上加上驱动 电流就可以在材料的轴向上产生一个驱动场。如果测量材料和线圈组成的等效电 阻的阻抗，我门称这种测量方法为感应电流法。如果直接测量材料两端的阻抗我 们称之为线圈激发法。另外在横向测量的时候在线圈两端并联一个电容的话，线 圈和电容会产生l c 共振，对测量的信号也会产生影响。 图1 1 2 巨磁阻抗的测量方法 f i g 1 1 2 m e a s u r i n gm e t h o do f g m i 采用哪一种驱动方式取决于材料本身的宏观磁性能。各种磁性能参量中，磁 各向异性对巨磁阻抗效应的影响最为明显。在阻抗的表达式中与磁性能有关的磁 导率一般来说是一个张量詹，它本身反映了材料的磁各向异性。由于磁性材料 中存在着磁各向异性所以存在易磁化方向，这主要取决于材料的磁畴的分布。不 同的各向异性材料( 在丝中一般分为易磁化方向在环向和轴向两种) 在外场下将 1 4 会呈现不同的变化规律。我们以横向驱动为例做一下简要的说明如图1 1 3 。 ( 1 ) 材料的易磁化方向在横向，交变磁场h 也在横向直流外磁场作用于 纵向在外磁场鼠，= 0 的情况，由h 作用下驱使材料的磁化过程以畴壁移动为 主，当施加 k 后，使磁矩逐渐向材料的轴向偏转，同时平行予轴向的磁畴数增 加。此对，磁矩的转动和畴壁的移动都会对磁化有贡献，当鼠，= h k 时，转动磁 导率达最大值，相应有最大的阻抗变化。相应有最大的阻抗变化。当h 。 h k ， 使转动磁化处于一个难磁化方向，磁阻抗变化逐渐减小，在这种情况下，呈现一 个有双峰的磁阻抗曲线。 ( 2 ) 材料的易磁化方向在纵向，交变磁化场h 作用在材料的横向，外磁场在 材料的纵向。在此情况下，材料在h 作用下的磁化以磁矩转动为主，但由于易磁 化方向在材料的纵向，其横向磁导率较低，相应的阻抗较小，而且因为皿，和 风平行，j 坛的作用始终是阻止磁化过程的进行，于是使进一步减小，从而引起 阻抗的下降。当鼠。增大到一定程度，磁化过程将难以继续，磁阻抗曲线也达到 饱和 图1 1 3 两种典型的g m i 模式 f i g 1 1 3 t w ot y p i c a lm o d e l so f g m i 在以上两种g m i 模式中，具有轴向各向异性的材料的灵敏度比较高，在传 感器应用上受到很大重视。可以通过磁场退火、应力退火等手段来感生圆周或者 横向各向异性。 一般来说在材料的易磁化方向施加驱动场可以产生较显著的磁阻抗变化， 所以对于具有环向磁结构的材料我们多采用环向驱动而对于具有纵向磁结构的 材料要用纵向驱动。比如c o 基非晶具有很高的磁导率和负( 接近于零) 的磁致伸 缩系数，经应力退火后在材料表面很容易形成圆环状( 丝) 或横向( 带) 的磁畴结构， 对其采用横向的测量方法可以得到较大的阻抗比变化。而f e 基软磁纳米微晶 f e c 心m s i b 磁晶各向异性和应力各向异性可以降低到很小，只有与退磁因数有 关的形状各向异性占有优势，从而使样品的易轴沿着丝轴的方向，对其应用纵向 驱动的方法可以得到较大的阻抗变化。 1 8 3 巨磁阻抗传感器的应用 ( 1 ) g m i 生物传感器【3 2 】 g l 沮生物传感器是一种对磁标记的生物样本进行检测的生物传感器其原理如 图1 1 4 所示 图1 1 4 基于g m i 磁场生物传感器原理 f i g 1 1 4 t h ep d n e i p l eo f ag m i - b a s e dm a g n e t i cb i o s e n s o r g v i i 敏感元件是用玻璃包覆的微丝制作的，其测量环境是置于溶液中的。 维生素h 是我们要测量的目标生物分子，d n a 分子作为生物受体，在溶液中d n a 分子与目标分子维生素h 杂交捆绑在一起。链锁状球菌对目标分子有很强的吸引 力并且黏附有磁性微粒是很好的测量载体。要测量的目标分子很容易被吸附到链 锁状球菌的表面。在外加磁场作用下，磁性微粒向g m i 特性材料靠近，从而引起 微丝的磁阻抗变化，通过测量这种变化我们可以间接的了解磁性微粒在溶液中的 分布，丽磁性微粒和目标分子是黏附在一起的，故可得到目标分子在溶液中的分 布情况该方法在生物或医学上可用于抗体和生物标本检验的传感。 1 6 ( 2 ) g m i 汽车交通检测系统【3 2 】 e 本n a g o y a 大学t u c h i y a m a 等人利用g m i 效应开发了一套交通测速检测 系统。这种新型的车辆监测系统由一个微处理器和两个g i v i i 传感器组成，两个 传感器探头之间距离为2 0 c m ，安装在直径3 0 c m 、厚2 3 m m 的底座上，汽车从测 量系统上通过时，传感器探测汽车发出的磁场信号，通过两波形的相关性比如相 位差可以测得两波形发生的时间差r ，据此可计算汽车速度nv = x t ，其中x 是两 传感器之间的距离。汽车的长度工= 以nt 是传感器1 和传感器2 的输出波形的 时间宽度。 精密嚣1 争 撖蹙理嚣 晤一抟蓐嚣2 图1 1 5g m i 汽车交通监测系统 h g 1 1 5 c a rs e n s i n gs y s t e mu s i n gt w om i s e n s o r s ( 3 ) g m i 方向，旋转角传感器【3 3 】 该传感器的原理如图1 1 6 所示敏感材料在电路中起到一个电感的作用，整个 电路构成了一个科尔兹震荡器，该传感器对直流磁场和低频的交流磁场有较理想 的灵敏度。可以用来测量方向，旋转角等物理量。 图1 1 6g m i 科尔皮兹震荡器传感器电路 f i g 1 1 6 g m ic o l p i t t so s c i l l a t o rs e i l s o rc i r c u i t 1 7 1 9 本文研究的目的和意义 和其他传感器相比g m i 传感器有其独特的优势。 1 酬i 传感器的灵敏度很高超过了现在应用广泛的g m r 传感器和h a l l 传器。 2 和现在最灵敏的s q u i d 传感器和能够达到与g m i 传感器同等灵敏度水平的磁通 门以及线圈传感器相比g m i 传感器可以作得比上述传感器小得多。 3 g m i 传感器是唯一能同时满足高灵敏度，尺寸微型化，响应速度快，功耗低和 磁滞小等要求的磁传感器。 所以研制高灵敏度，尺寸微型化，响应速度快，功耗低和小磁滞g m i 传感 l 2 3 4 器有很重要的实际意义。 本文的目的就是研制一种新型巨磁阻抗传感器并将之应用于弱磁场的测 量整个工作包括如下几个方面。 对探头参数进行研究，尤其是线圈参数对灵敏度的影响，并且制作较灵敏的 探头。 开发模拟电路对探头信号进行转化。 开发数字电路对信号进行处理和显示。 制作弱磁屏蔽。 2 1 引言 第二章新型巨磁阻抗传感器 本文研究的传感器利用c o 基非晶丝，用非线性非对角化方式，相对于其 他方式有独特的优点。根据驱动电流产生交变磁场对敏感元件的磁化程度，g m i 传感器可分为线性和非线性方式，其中非线性方式由于可以消除信号对外磁场的 磁滞而备受关注，根据信号探测方式又可分对角化( 从敏感元件两端取) 和非对 角化( 利用绕在元件上的线圈拾取) 3 4 3 5 1 。非线性非对角化探测方式是驱动电 流通过敏感元件两端，信号从绕在元件上的线圈拾取，不仅减少相互干扰，而且 线圈本身可以通直流产生偏磁场，使敏感元件工作在最敏感区域，可以灵敏地测 量弱磁场 3 5 1 。图2 1 是传感器示意图，传感器包括一个敏感元件，一个交流电源， 一个线圈绕在敏感元件上，线圈并联一个电容共同构成信号拾取电路。拾取信号 经过解调、放大、积分等电路得到信号随外磁场变化的单一关系。 2 2 传感器探头研究 2 2 1 制作方法 利用自动绕线机，在塑料管外绕制了一系列如图2 。1 的线圈，线圈参数包括： 匝数n 从5 0 到1 0 0 0 匝，线圈长度，螺线管的内径d 和外径d ( 3 和6 毫米) ， 线圈导线直径“( 8 0 和2 0 0 岫) 。 敏感元件采用u n i t i k a 公司提供的直径为3 0 j m 、长为1 0 c m 的c o 基非晶 细丝，置于线圈内，而后细丝和线圈分别与函数发生器及示波器相连。驱动电流 的大小足够大，实验中采用2 0 m a ，感应的交变磁场可以使细丝在环向方向上磁 化饱合。调整电容的大小使得电容和线圈构成的l c 电路工作在驱动电流的倍频， 这样输出变化随外磁场变化灵敏。外磁场由一对赫姆霍斯线圈提供。 1 9 图2 t 传感器示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h em a g n e t i cs e n s i t i v es e n s o r 2 2 2 实验与讨论 图2 2 是不同匝数线圈时，传感器输出随外磁场变化的曲线，工作频率为 1 5 0 k h z ，线圈长度固定在1 5 r a m ，对于匝数较多线圈为多层绕制。图中看出，线 圈的匝数越多，传感器的灵敏度越高。由法拉第电磁感应定律可知，从信号拾取 线圈中得到的输出信号大小为： = 一丝d t = 一2 万r d 坐d t 砌 ( 2 1 ) 其中巾，m ：分别是磁通量和细丝在轴向方向的磁化强度，是丝的半径。由于 趋肤效应，h 乜为径向，的函数，本实验研究范围在低频，趋肤效应不明显，则 可以得到： ；一一d ( n a l t ( t ) h “t ( t ) ) 一( 日。掣+ 掣 其中，a 是线圈的横截面积，i x ( t ) 和h 。( t ) 分别是交流纵向磁导率和外磁 场强度，可以看出敏感元件输出的信号正比于线圈的匝数。 之 咖 逛 弓| 爨 外磁场a m l 图2 2 拾取信号线圈匝数与信号输出大小的关系 f i g 2 2 a m p l i t u d ed e p e n d e n c eo fs e n s o ro u t p u to i lt h en u m b e rt u r n so ft h ep i c k u p c o i l 如果我们测量一个稳定或低频磁场，公式中的第二项就可以省略。因此，输 出信号也同外磁场强度成正比，这样很容易测量 k 。敏感元件将被两个磁场磁 化州：一个是通过细丝的交流电流感应出的环向磁场，h 。- - 2 1 2 a m ，另一个是 直流外磁场。在这种情况