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薄膜磁阻传感器及其应用（续） 牛I一修商艘，孽膨砌墩蓉j雌第25卷第4期麟性材料硬器件JMagnMaterDe iceJ994-10月薄膜磁阻传感器及其应用(续)过璧君(电子料枝太学成都)-_，一4薄膜磁阻传感器的应用下面介绍体积不同的磁阻薄膜传感器的特性，然后按照器件的功能分别介绍它们的应用场合。 41不同体积的薄瞧磁阻传感器的特性 (1)微型薄膜磁阻传感器。 这类传感器大多是用条形的磁阻薄膜，Ms沿条的长轴取向，这是形状最简单和体积母小的结构。 图17a表示银行信用卡信息读取磁头，其典型外形如图17b所示。 图17a所示的参数是厚度f50nm，宽度zI=20H1电阻R=18Q，检测电流I=10mA。 图J7d表示高密度薄膜磁阻磁头的转换特性，磁阻的尺寸及其工作参数是长度j=279P-I1it=59nm，!ttkAm5kAm(c(d)圈】7微型薄膜磁阻传感器厦其转换特性l994年10月20H文碍W=46V-m，R=229Q，7mA。 由实验确定的最佳偏置磁场日。 亦标在曲线上。 应用Barher电极后，为了保证足够的电阻值，磁阻条宽度必须娈窄。 圉18a表示一对传感器的示侧，这种绪构大多用于多磁道磁阻读出磁头。 其典型尺寸为zI=520gtm，j=2x502x200pm，由于尺寸很小，就、有可能在总长度为32r am范围内制作32个对称的传感器。 图18b表示其转换特性，器件的尺寸是=2180gi n=15gtm，f=40nm，=20mA，Barber电极条的周期口=9pm，条宽6=6pm。 是离5【，A11_围18Barber电投磁阻传感器殛其转换特性圉19表示一对微型线性磁阻传感器的结构图它的尺寸为200200m。 图19a所示的传感器的磁阻条宽度是20pm，并刻蚀成弯曲条，工作缝隙宽度为2m。 图j9b所示的传感器的结构更为简单，形成闭台磁路后不会受退磁的影响，传感器的参数为f=30di n，=901xm，t=50r im，月=27q，4l45ma，各向异性场h=740am灵敏度s=3v(am)输出电压au?一10v偏置场h日。 一1kAm时的灵敏度S=1oov(A-m一)。 圈19微墼鲺性磋阻骨蓐器的结构 (2)小型薄膜磁阻传感器，在某一固定的损耗功率下，这类传感器具有最高的单位面积灵敏度图2Oa表示一个士的多路Barber电极传感器。 这是由4个工作分路构成的桥式(电路)传感器。 其磁阻的尺寸为面积一(1616)r am，条宽一530m，a一64v8m；电参数为月一17kO U一5V，当H日o=3kA112时，=20V(A-m)当H口01kAm时，S=28LV(Am)其转换特陡如图20c所示48l8i-。 【b1固21)多路Bsrbr皂撮侍感器图218表示磁阻条与易磁化轴保持一定夹角的设计方案这种器件的参数是t=50n121，=30tm，磁阻条问距P5m，当一(1616)r am时月43kO，U=，42-若传感器的面积一定，损耗功率一定，则2个工作分路的灵敏度比4个工作分路的大，将它们接成电桥电路后，单位面积的灵敏度SA和单位供电电压的灵敏度SU可以这样来比较，S、一2n rS、z一_(丽一r s、一2n，S、r，(l式中注脚2表示有2个工作分路的器件，注脚4表示有4个工作分路的器件。 表示2个工作分路的电桥电路中电阻阻值与磁阻阻值的比值。 供电电压增大，使灵敏度提高。 例如，若一1，对于U=2U时，灵敏度S=S，但是若=5时，S。 增大，即U=37U，S2=16S。 (3)大面积薄膜磁阻传感器，在设计应用时，这种大面积传感器假定磁场是足够均匀并且没有F己寸限制。 这种传感器最主要的指标是灵敏度。 而灵敏度的唯一制约因素是供电电压，按照上式，最好的电路是有4个工作分路接成的桥式电路。 它的输出电压uu(App)-(c0s20)H(IH)由于面积大，故可以忽略退磁场其灵敏度为S?一U(App)(1HK。 )此时，对于NiFe台金磁阻条，s?=0o2300=83VV(A112)=67V(VT)。 假定 h o的最小值为400am，删s?一u(app)i(ho+h0)一0025(300+400)=36vv(a111i1)一一29v(v$)。 对于典型的供电电压值25V，其灵敏度为S09mV(A111)=720VT。 考虑到工作的稳定性，取最大灵敏度的75是合适的。 对于膜厚为50nm，膜宽为一I50pm的膜，其CO S(2A0)HK等于07s(HKo+H0)，对于f一1OOnm，其宽度为250Bm，为了得到较高的灵敏度r须用较厚的膜，这样可以提高App的值，此时，为了得到足够的电阻值，必须使传感器的面积增大。 如果磁阻器件的尺寸f、p和都固定并设定单位面积的功耗P，则可蹦计算出传感器的面积一z【，p【p以)l对于一个传感器的尺寸为一100nm，一250mP=10pm，A=(88)mm，同时U=25V，p一IWcm，则灵敏度为600Vr一。 这种传感器如图22所示在一般情况下，偏置电压U一200V，若传感器的尺寸为f一50n，一150pm，P一10p111以及A=(1515)mm刚灵敏度可达4000VT。 匿22灵敏彦这50oVT的大面积磁组侍感器示倒42薄胰磁阻传感嚣的功睦厦应用 (1)将电量转换成电量的磁阻传感器磁阻传感器具有设计简单灵敏度高及良好的频率特性等优点。 而且这种元件可以将电信号的输入端和输出端分开。 这种线性磁场传感器可用作直流或交流电流变压器(如图23a)、电流相加器【图23b)或电流乘法器(图23c)。 U rU(f)圈23磁阻传愍器时皿用磁阻元件还可以构成最简单的电流传感器，例如，用磁阻传感器可以测量载流导体周围的磁场，电流范围为 50、250和500mA，频率范围从直流到2oMHz，输出电压可达35mV还可以用磁阻元件测量电流电流可根据公式B=210计算。 口是离载流导体的距离为处测得的磁场这种方法对于非接触测量很有用，若导体的直径为I mm，在离半径的距离为的点处的转换系数为SI5mV(mA)。 如图24所示那样，用来测量振荡、压力、加速度等另外的应用是非接触开关与另外一些非接触传感器，如霍尔传感器、电感式或光学式传感器相比较，磁阻式非接触开关具有以下优点尺寸小、分辨率高、灵敏度高、工作频措宽、耐油耐尘能力强。 图25a表示最简单的永磁体传感器构成的测量几何尺寸的系统，其工作原理是基于永磁体位置的改变。 图25b表示用一个永磁体来改变磁场的对称性这类磁阻传感器的大量应用场台是汽车工业，包括电气点火，速度、压力和加速度的测量图26表示加速度传感器的工作原理一F一墨墨嗣F凸凸c)(d)器的工作原理U。 lJI制动加速度图26磁阻型加速度传感器图27表示旋转式薄膜磁阻传感器的工作原理图，除速度外，还可以测量角位移。 在鼓上安装有永磁体，这样的传感器起检测器的作用。 这类器件的应用十分广泛， (3)测量弱磁场的磁阻传感器。 磁场测量最简单的方法是将磁阻传感器的输出信号进行放大。 这种传感器可以用直流或交流电流驱动。 用直流磁场测量时，分辨率决定于零漂移。 可以用许多方法将直流磁通密度转换成无漂移的交流输出信号。 一种方法是用44。 一2U。 5rn一一j TU La=i Cm一，15uTa m(a)工作厦理(b)辅出信号圈27旋转式磁阻恃感器的工作原理交流场沿磁阻传感器的各向异性轴偏置。 另一种方法是用交流磁场沿各向异性的垂直方向偏置。 偏置场的旋转亦可以达到同样的效果。 直流偏置磁场垂直于并向异性轴时的灵敏度S为s=U等l0H用磁阻元件特别适合于测量lOI oooT的磁场，这是地球磁场的数量级。 这种传感器的优点在于体积小而且工作频带宽。 (4)集成化薄膜磁阻传感器。 为了正确测量产生磁场源的位置，可以将两个或更多的磁阻元件制作在同一块基体上，只要保证各个磁阻元件的相对位置精度，满足一定的相位关系，就可以得到很高的灵敏度和浞4试精度。 图28表示用来榆测平面间位置的集成化磁阻传感器。 m rm rh1l，m r圈2i剥量平面间位置的集成化碰阻传感器一广，图29表示用来检测角度位置的集成化磁阻传感器。 匿30表示检测线性位移的集成化磁阻传感器的工作原理在连杆上安装一个永磁体，并与作线性运动的传感器连接使永磁体与两个磁阻传感器靠近，以产生磁耦合这棒可以将永磁体的运动状态由磁阻元件检测出来M RM R，MRI M R图29删量角度的集成化磁阻伟感器图30检恻线性位移的集成化磁阻传寤器磁阻传感器的主要优点是易于小型化和集成化、灵敏度与工作频率无关，工作频带宽，制造技术简单，灵敏度比半导体磁阻元件高。 其主要缺点有需偏置磁场，难于完全消除温度漂移、输出信号不够高这些缺点正在不断克服因此，新型磁阻传感器正在不断开拓，其应用领域正在迅速扩大，是一种非常具有生命力的新型器件。 5结束语薄膜磁阻传感器的用途十分广泛，它能将物体的运动状态转换成数字脉冲，提供给计数器计数，以监示其工作状态或通过反馈实现自动控制因而成为工业界检出、控制位移、角度及速度的必不可少的关键器件随着机械和电子工业的飞跃发展、机床工业(特别是数控机床)、智能机器(包括工业机器人)、汽车工业及家用电器的发展和普及，薄膜磁阻传感器的需求量正在日益扩大国际上早期的及国内现有的这类器件是光电式和电容式的，由于它们存在怕污染、寿命短、可靠性差、成本高等缺点，限制了进一步的推广应用，影啊了生产自动化、办公自动化及家庭生活自动亿的普及。 近年来，日本在这些领域普遍推广了磁阻式传感器，从而使面貌焕然一新。 磁阻式器件具有抗污染(投入水中或油中仍能正常工作)、高可靠，长寿命，低能耗、非接触、结构及装配简单、成本低等优点；因而用它来取代上述光电式或电容式器件已势在必行据报导，H本仅生产旋转式磁性编码器酌企业就有50多家，年销售值超过250亿日元。 我们电子科技大学经过多年的潜心研究、开发，终于制出了磁阻式编码器的核心部分多相位磁阻元件和多极磁鼓。 i993年以来又集合了电路、机械结构方面的技术力量，研制出了运行稳定、脉冲可靠，使用方便，结构合理的磁阻式编码器系列。 这些产品已全部通过计量，某些产品的技术指标如表l所示裹1型号-M R60M R。 ioomr-250l频响hz不窄于0-80不窄于080不窄于080线性度10优于005傀于005忧于005注一额畸上限8口hz_是计t部门所髂计量的景高水平而该器件的理论额响可选200khz在此基础上又刹用其中一种磁阻式编码(下转51页)-磁一一 f一第25卷第4期磁性材料及器件jmagn,m8terdevice1994丰i0月钕曼学冯定五孙仲元陈荩(中南工业大学矿物工程系)。 ，、关键词t丝堡塞登笪垂醴垒堡忘I前言永磁磁系不需要能源和冷却系统，且其性能稳定。 这就决定了永磁磁选设备比同类型的电磁磁选机结构简单，节省能耗，操作维护方便和性能稳定。 因此永磁技术在选矿中不断得到应用和发展。 尤其是近二十年来，永磁体的磁性能有了很大提高。 高性能的钕铁硼永磁体的出现使磁选领域发生重大变革各种新型的钕铁硼磁系应运而生，大大地提高了永磁磁选机的磁场强度及其分选能力随着钕铁硼永磁体的性能及磁路设计的进一步完善，钕铁硼永磁体必将在选矿中得到更广泛的应用2球磨机中的矿石层衬里瑞典Tr slleborg有限公司提出一种能够延长球磨机衬里寿命的矿石层衬里(Ij矿石层衬里由硫化橡胶元件组成，在其内部是经硬化的钕铁硼磁体。 磁力线透过磨机机壳形成一系列开口的马蹄形磁铁。 这些磁铁吸引了一层对磁力敏感的矿石或钢球碎片，这就是所谓的矿石层衬里。 永久磁铁可以保持衬里的位置，这就不需要用螺柱安装。 由于矿石层比通常用的衬里要薄，因此有可能获得较大的唐机处理能力。 处理能力还可以通过加快磨机的转速来提高，这并不增加钢球的消耗量或衬里的磨损。 矿石层衬里可用于所有类型的球磨机，既可用于磁性矿石的磨矿也可用于非磁性矿石的磨矿。 磨机矿石层衬里的使用目前还有一定限制，随着技术的发展，必将产生较大的经济效益；3永磁中场强磁选机德国洪堡公司用钕铁硼永磁体研制了中等磁场强度的筒式磁选机(2】该机有干选筒(上接45页)器，研制