第7章磁電式傳感器

第7章磁電式傳感器

概述用磁鐵感應(yīng)地磁場指引方向就是磁傳感器最早的應(yīng)用.現(xiàn)在空中、海洋、勘探、醫(yī)院廣泛應(yīng)于測量地球和其它星球及生物磁場。磁傳感器是一種接收磁信號，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置。最大應(yīng)用是非接觸測量?？蓽y電流、線性速度、轉(zhuǎn)速、角度位置等。隨著IC和微機(jī)技術(shù)（MEMS）發(fā)展、新型材料的研制，將向更高精度更廣闊應(yīng)用方向發(fā)展。7.1變磁阻式傳感器自動測試系統(tǒng)中常見的壓力、流量、速度、振幅等物理量的測量，一般先變成位移，然后再變成電量輸出。該類傳感器的測量原理：被測量（位移）使磁路磁阻發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈電感量變化，實現(xiàn)對被信號測量。1.磁路的基本概念磁路：主磁通所經(jīng)過的閉合路徑。i線圈通入電流后，產(chǎn)生磁通，分主磁通和漏磁通。：主磁通：漏磁通鐵心（導(dǎo)磁性能好的磁性材料）線圈2、磁感應(yīng)強度（磁通密度）與磁場方向相垂直的單位面積上通過的磁通（磁力線）單位：韋伯1Tesla=104高斯B

的單位：特斯拉（Tesla）I1I2I33、磁場強度H磁場強度是計算磁場所用的物理量，其大小為磁感應(yīng)強度和導(dǎo)磁率之比。單位：B

：特斯拉：亨/米：安/米4.安培環(huán)路定律（全電流律）：磁場中任何閉合回路磁場強度的線積分,等于通過這個閉合路徑內(nèi)電流的代數(shù)和.I1I2I3電流方向和磁場強度的方向符合右手定則，電流取正；否則取負(fù)。在無分支的均勻磁路（磁路的材料和截面積相同，各處的磁場強度相等）中，安培環(huán)路定律可寫成：

磁路長度L線圈匝數(shù)NIHL：稱為磁壓降。NI：稱為磁動勢。一般用F

表示。F=NI在非均勻磁路（磁路的材料或截面積不同，或磁場強度不等）中，總磁動勢等于各段磁壓降之和?？偞艅觿?/p>

例：IN對于均勻磁路磁路中的歐姆定律5.磁路的歐姆定律：則：INSL注：由于磁性材料是非線性的，磁路歐姆定律多用作定性分析，不做定量計算。令：Rm

稱為磁阻磁路和電路的比較磁路電路磁通INR+_EI磁壓降磁動勢電動勢電流電壓降U磁阻電阻7.1.1電感式傳感器電感式（自感式）傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖7.1所示。

組成：線圈1、鐵芯2和銜鐵3三部分組成,在鐵芯和銜鐵之間留有空氣隙δ。

原理：被測物與銜鐵相連,當(dāng)被測物移動時通過銜鐵引起空氣隙變化,改變磁路的磁阻,使線圈電感量變化。電感量的變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率的變化,從而實現(xiàn)對被測物位移的檢測。

圖7.1電感式傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖被測物與銜鐵相連,被測物移動引起空氣隙變化原理改變磁路的磁阻線圈電感量變化電感量的變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率的變化,實現(xiàn)對被測物位移的檢測當(dāng)線圈的匝數(shù)為N,流過線圈的電流為I（A）,磁路磁通為Φ(Wb),則電感量：膜片等敏感元件組成根據(jù)磁路定理（磁路歐姆定律）（7.1）(7.2）式中,R1、R2和Rδ分別為鐵芯、銜鐵和空氣隙的磁阻。(7.3)磁動勢閉合回路磁阻式中,l1、l2和δ分別為磁通通過鐵芯、銜鐵和氣隙的長度(m),S1、S2和S分別為鐵芯、銜鐵和氣隙的橫截面積(m2),μ1、μ2和μ0分別為鐵芯、銜鐵和空氣的導(dǎo)磁率(H/m)。μ0=4π×10-7H/m。將(7.2)、(7.3)式代入(7.1)式,考慮到一般導(dǎo)磁體的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)大于空氣的導(dǎo)磁率(大數(shù)千倍乃至數(shù)萬倍),即有（7.4）由上式可見,線圈匝數(shù)確定之后,只要氣隙長度δ和氣隙截面S二者之一發(fā)生變化,傳感器的電感量就會發(fā)生變化。因此,有變氣隙長度和變氣隙截面電感傳感器之分,前者常用來測量線位移,后者常用于測量角位移。

變氣隙長度傳感器測位移原理微分靈敏度如何測量電感量的變化？（1）ΔL可通過電橋測得；（2）亦可將L作為振蕩線圈的一部分,通過振蕩頻率的改變測得ΔL。（3）圖7.1所示為一種測量方法:傳感器的線圈與交流電表串聯(lián),用頻率和幅值一定的交流電壓U作電源。當(dāng)銜鐵移動時,傳感器的電感變化,引起電路中電流改變,從而得知銜鐵位移的大小。ΔLΔI電感式傳感器測量原理7.47.5L變對電感式傳感器優(yōu)缺點進(jìn)行討論：優(yōu)點：(1)、測量電路中電流的改變與氣隙的大小的改變成正比。上式是在忽略了鐵心磁阻、電感線圈的銅電阻、電感線圈的寄生電容以及鐵損電阻的情況下得到的,實際表示式比較復(fù)雜。（2）該傳感器結(jié)構(gòu)簡單。缺點：不易做精密儀器？（1）測量范圍與對傳感器線性要求矛盾

L與δ是成反比的非線性關(guān)系,只有Δδ很小時,非線性關(guān)系才能改善？設(shè)銜鐵處于起始位置時,傳感器的初始?xì)庀稙棣?。則：當(dāng)銜鐵向上移動Δδ時,傳感器的氣隙長度將減少,即為δ=δ0-Δδ,這時的電感量為下面推導(dǎo)電感量變化與距離變化之間關(guān)系:電感的變化為相對變化量為當(dāng)

時,可將上式展開成級數(shù)（7.6）同理,如銜鐵向下移動Δδ時,傳感器氣隙將增大,即為δ=δ0+Δδ,電感量的變化量為相對變化量為（7.7）由(7.6)式和(7.7)式可以看出,當(dāng)忽略高次項時,非線性可得到改善,ΔL才與Δδ成比例關(guān)系。然而,這又會使傳感器的量程變小。所以,對輸出特性線性的要求和對測量范圍的要求是相互矛盾的,

一般對變氣隙長度的傳感器,取Δδ/δ0=0.1~0.2。（2）由知，δ小，靈敏度高，然而該公式是在忽略導(dǎo)磁體磁阻時得到的，δ太小，磁阻不能忽略，靈敏度反而變壞。（3）這種傳感器象交流電磁鐵，電磁力作用在活動銜鐵上，力圖將銜鐵吸向鐵芯，銜鐵是膜片等敏感元件組成，使儀表產(chǎn)生誤差.

由于上述缺陷因而采用差動式電感傳感器。

例題如圖為變氣隙型電感傳感器，銜鐵面積為S=4*4mm2，氣隙總長為Lδ=0.8mm，銜鐵最大位移為ΔLδ=±0.08mm，激勵線圈匝數(shù)N=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率ρ=1.75*10-6Ω.cm，當(dāng)激勵電源頻率f=4000HZ時，忽略漏磁和鐵損，要求計算（1）線圈電感值；（2）電感的最大變化量；（3）線圈直流電阻值；（4）線圈品質(zhì)因素；（5）當(dāng)線圈存在200PF分布電容與之并聯(lián)后其等效阻抗。解、1、2、=0.0314H3、4、7.1.2差動電感式傳感器

組成：兩只完全相同電感式傳感器合用一個活動銜鐵便構(gòu)成了差動式電感傳感器,如圖7.2(a)所示。圖7.2(b)為其電路接線圖。傳感器的兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰的兩臂,另外兩個橋臂由電阻組成。還有一種螺管形結(jié)構(gòu)的差動電感傳感器,工作原理與此相同。

圖7.2差動式電感傳感器(a)結(jié)構(gòu)原理圖；(b)電路接線圖原理：在起始位置時,銜鐵處于中間位置,兩邊的氣隙相等,兩只線圈的電感量相等,電橋處于平衡狀態(tài),電橋的輸出電壓Usc=0。當(dāng)銜鐵偏離中間位置向上或向下移動時,兩邊氣隙不等,兩只電感線圈的電感量一增一減,電橋失去平衡。電橋輸出電壓的幅值大小與銜鐵移動量的大小成比例,其相位則與銜鐵移動方向有關(guān)。假定向上移動時輸出電壓的相位為正,而向下移動時相位將反向180°為負(fù)。因此,如果測量出電壓的大小和相位,就能決定銜鐵位移量的大小和方向。由圖7.2知,假定電橋輸出端的負(fù)載為無窮大,則得輸出電壓由于兩線圈結(jié)構(gòu)完全對稱,由(5.4)式知在平衡位置時式中,R0為線圈的銅電阻。當(dāng)某一時刻,設(shè)銜鐵向上位移,則上下兩邊氣隙不等,阻抗也隨之改變,上邊增加了ΔΖ1=jωΔL1,下邊減少了ΔΖ2=jωΔL2,則Z1=Z0+ΔZ1,Z2=Z0-ΔZ2。電橋的另兩臂是相同的電阻,即Z3=Z4=R,代入上式則得由于ΔZ1-ΔZ2比Z0小得多,故可略去,得(7-8)式見下頁(7.8)ΔΖ=ΔΖ1-ΔΖ2=jω（ΔL1-ΔL1）將上述兩式相減與Z0比較可知結(jié)論正確.(7-6)(7-7)為什么ΔZ1-ΔZ2比Z0小得多?差動電感式傳感器輸出說明什么?鐵芯向上移動時上部電感的變化鐵芯向上移動時下部電感的變化(1)電橋的輸出與(ΔL1+ΔL2)成比例。比一般電感傳感器非線性小得多。因為:由(7.6)、(7.7)式可得(7.9)(7.9)也存在一定的非線性,但其中不存在偶次項,

這說明差動電感傳感器比一般電感傳感器非線性小得多。略去(7.9)式三次以上的高次項,代入(7.8)式得

(7.10)Q=ωL0/R0為電感傳感器的品質(zhì)因數(shù)。與電源電壓同相的分量與電源電壓相位差90°的正交分量。輸出電壓的正交分量與Q有關(guān),Q增大,正交分量便隨之減小。對于高Q值的傳感器,上式可簡化為結(jié)論（1）K稱為差動電感傳感器的靈敏度。K的物理意義是,銜鐵單位移動量引起的電橋輸出電壓。K值越大,靈敏度就越高。（2）K值與電橋的電源電壓和初始?xì)庀队嘘P(guān),提高電橋的電壓,減小起始?xì)庀?就可以提高靈敏度。（3）電橋的輸出電壓與銜鐵位移量Δδ成正比,其相位則與銜鐵移動方向有關(guān)。若設(shè)銜鐵向下移動Δδ為正,Usc為正,則銜鐵向上移動Δδ為負(fù),Usc為負(fù),即相位反向180°。(K=Usr/2δ0)與第四章結(jié)論相同3、解討論：1、當(dāng)鐵心處于中間位置時，Z1=Z2=Z，無輸出。可見，銜鐵上、下移動時，輸出電壓相反，大小隨銜鐵位移變化。7.1.3差動變壓器式傳感器

差動變壓器與一般變壓器工作原理基本相同。圖見后.

不同：一般變壓器原、副邊間的互感是常數(shù)，而差動變壓器原、副邊間的互感隨銜鐵移動作相應(yīng)變化。差動變壓器的工作原理是將位移變化轉(zhuǎn)化為互感的變化。

當(dāng)線圈1中的電流變化時所激發(fā)的變化磁場，會在它相鄰的另一線圈2中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；同樣，線圈2中上的電流變化時，也會在線圈1中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這種現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象，所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢稱為互感電動勢

.自感系數(shù)表示線圈產(chǎn)生自感能力的物理量，簡稱自感或電感.空載運行：原邊接入電源，副邊開路。原邊接上交流電源

原邊電流i1等于勵磁電流i10

原、副邊產(chǎn)生自感和互感應(yīng)電動勢變壓器電路及工作原理:

i10

產(chǎn)生磁通

（交變）（

方向符合右手定則）差動變壓器結(jié)構(gòu)及基本性能:

差動變壓器式結(jié)構(gòu)形式.圖7.3(a)的Π形結(jié)構(gòu),銜鐵為平板形,靈敏度較高,但測量范圍較窄,一般用于測量幾微米到幾百微米的機(jī)械位移。

圖7.3(b)是銜鐵為圓柱形的螺管形差動變壓器,可測一毫米至上百毫米的位移。

此外還有銜鐵旋轉(zhuǎn)的用來測量轉(zhuǎn)角的差動變壓器,通?？蓽y到幾角秒的微小角位移。圖7.3差動變壓器式傳感器求I1圖螺管式原理：傳感器的可動鐵芯和待測物相連,兩個次級線圈接成差動形式,可動鐵芯的位移利用線圈的互感作用轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的變化,從而得到待測位移。氣隙式Usc例題：證明如圖差動變壓器輸出為V形特征。（1）設(shè)電感線圈銅損、鐵損及漏磁均忽略并在理想空載條件下求證。（2）設(shè)原邊線圈匝數(shù)相等為N1，副邊線圈匝數(shù)相等為N2。證明：銜鐵向上移動Z11=R11+jωL11,Z12=R12+jωL12如果忽略Δδ2項,并設(shè)R11=R12=R1,上式可改寫為把代入上式,整理后得式中,Q=ωL0/R,為品質(zhì)因數(shù)。相位差90°的正交分量與電源電壓Usr同相的基波分量化簡得鐵心上移時：同理鐵心下移時：由以上推導(dǎo)知：差動變壓器輸出為V形特征，但方向只有采用相敏檢波電路才能測出銜鐵位移方向。差動變壓器輸出的感應(yīng)電動勢經(jīng)過整流后輸出，無論同名端是如圖還是反相，輸出信號為：7.1.4電動式傳感器電動式傳感器亦稱動圈式傳感器,可用于監(jiān)測位移、壓力等物理量。這種傳感器可看成由兩部分組成,

一是產(chǎn)生磁場的磁路部分,二是由振動膜和線圈構(gòu)成的機(jī)械振動系統(tǒng)部分。磁鐵可以是永久磁鐵，也可以用電磁鐵,其作用是用來產(chǎn)生強恒定磁場B0。圖7.6電動式傳感器結(jié)構(gòu)示意圖振動膜可動線圈磁鐵外殼振動膜在外界位移或壓力作用下振動可動線圈也隨著振動線圈切割磁力線線圈兩端產(chǎn)生一感應(yīng)電動勢U線圈接負(fù)載ZL，回路中產(chǎn)生電流I膜片以振速ξ振動，法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：當(dāng)膜片作簡諧振動時這種結(jié)構(gòu)的傳感器也可用來測量壓力，實際上這就是動圈式微音器的基本結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)1、掌握電感式傳感器原理1、接入橋路。2、作為震蕩線圈的一部分。3、直接通過電流表。L變

LΔL優(yōu)點為討論L與δ的非線性關(guān)系，設(shè)銜鐵向上或向下移動，分別求出電感的相對變化。2、理解電感式傳感器的缺陷：1）忽略高次項時，ΔL與Δ

δ成正比，非線性得到改善，但測量范圍變小，可見對線性度要求與測量范圍是矛盾的。2）ΔL與δ2成反比，δ越小，靈敏度越高，但該公式是在忽略導(dǎo)磁體磁阻時得到的，氣隙太小，磁阻不能忽略。3）該傳感器像交流電磁鐵，電磁力作用在銜鐵上易產(chǎn)生誤差。3、掌握差動電感式傳感器原理：習(xí)題解答1、在E型差動變壓器裝置中，已知初始位置時δ0=δ1=δ2=1mm，S1=S2=S3=1cm2，初級線圈激磁電壓Usr=10V，f=400HZ，初、次級線圈分別為W1=1000匝，W2=2000匝，設(shè)中間活動銜鐵向右平行移動0.1mm（忽略銅電阻，漏電阻）試求該傳感器的總氣隙磁導(dǎo)Gδ，初級線圈電流I1和次級線圈輸出電壓。

解、由于鐵芯、銜鐵遠(yuǎn)小于空氣磁阻可得等值磁路圖，且：由等值磁路圖：總磁導(dǎo)為：初級線圈電感：初級線圈電流為：求次級線圈的輸出電壓:1、有一只差動電位移傳感器，已知電源電壓Usr=4V，f=400HZ，傳感器線圈銅電阻與電感量分別為R=40Ω，L=30mH，用兩只匹配電阻設(shè)計成四臂等阻抗電橋，如下圖：（1）匹配電阻R3和R4的值；（2）當(dāng)ΔZ=10Ω時，分別接成單臂和差動電橋后的輸出電壓值。2、比較差動電感傳感器和差動變壓器式傳感器的異同。3、差動變壓器式傳感器與一般變壓器有那些異同點？4、如何提高差動變壓器的靈敏度？5、如圖(見P1245.1）為變氣隙型電感傳感器，銜鐵面積為S=4*4mm2，氣隙總長為Lδ=0.8mm，銜鐵最大位移為ΔLδ=±0.08mm，激勵線圈匝數(shù)N=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm，電阻率ρ=1.75*10-6Ω.cm，當(dāng)激勵電源頻率f=4000HZ時，忽略漏磁和鐵損，要求計算（1）線圈電感值；（2）電感的最大變化量；（3）線圈直流電阻值；（4）線圈品質(zhì)因素；（5）當(dāng)線圈存在200PF分布電容與之并聯(lián)后其等效阻抗。解、1、2、=0.0314H3、4、Z=解答2、解：（1）Z1=R1+jωL1=Z2=R2+jωL2=40+j2*3.14*400*30*10R3=R4=|Z1|=|Z2|

（2）單臂電橋時：差動電橋：上述公式要求寫出推導(dǎo)過程。3、解：差動電感傳感器由兩只電感線圈接成交流電橋的相鄰的兩臂，另外兩個橋臂由電阻組成。銜鐵處于中間位置時，橋路輸出電壓為零。否則，電橋有電壓輸出。電橋的輸出電壓與銜鐵位移量成正比，相位與銜鐵移動方向相反。

差動變壓器傳感器由一個可動鐵芯和兩個初級線圈、次級接成差動形式。原理：由于互感，初級線圈的交流電在兩個次級線圈分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且次級線圈反向連接。差動變壓器輸出電壓與銜鐵位移成比例，方向與Δδ有關(guān)。相同點：通過改變活動銜鐵位置，引起電感量改變，磁通變化，引起輸出信號變化。4、差動變壓器與一般變壓器工作原理基本相同。不同：一般變壓器是閉磁路，而差動變壓器是開磁路；一般變壓器原、副邊間的互感是常數(shù)，而差動變壓器原、副邊間的互感隨銜鐵移動作相應(yīng)變化。差動變壓器正是工作在互感變化的基礎(chǔ)上。5、由差動變壓器的靈敏度表達(dá)式將電源電壓Usr和變壓比N2/N1的增大,減小起始間隙。一般情況下取N2/N1=1~2,δ0一般在0.5mm左右。7.2、霍爾傳感器7.2.1、霍爾磁敏傳感器；7.2.2、工作原理；7.2.3、結(jié)構(gòu)及其特性分析；7.2.4、霍爾元件的驅(qū)動電路；7.2.5、霍爾元件的誤差分析及補償；7.2.6、霍爾傳感器的應(yīng)用。

1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。7.2.1霍爾磁敏傳感器大致經(jīng)歷了三個階段。第一階段從霍耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40年代前期。1910年有人用金屬鉍制成霍耳元件，作為磁場傳感器。第二階段是從20世紀(jì)40年代到60年代,由于半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是鍺的采用推動了霍耳組件的發(fā)展。第三階段，即20世紀(jì)80年代，隨著IC技術(shù)和MEMS(MicroElectroMechanicalsystems的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展，霍耳組件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了三維或四維固態(tài)霍耳傳感器，實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。下面介紹霍耳磁敏傳感器(通常稱為霍爾器件)的工作原理、基本特性與應(yīng)用．7.2.2、工作原理解釋霍爾效應(yīng)的經(jīng)典解釋:

半導(dǎo)體中的電子受洛倫茲力FL的作用：

電子又受到霍爾電場的作用力當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時霍爾電場強度帶電離子在磁場中由于受到洛倫茲力必然產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。根據(jù)左手定則可以判斷偏轉(zhuǎn)的方向。見下頁。左手定則:把左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，手心面向N極，四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導(dǎo)體受力的方向。右手定則、左手定則電磁學(xué)中，右手定則判斷的主要是與力無關(guān)的方向（一般用于判斷感應(yīng)電流方向）。如果是和力有關(guān)的則全依靠左手定則。

記憶技巧：“力”字向左撇，就用左手；而“電”字向右撇，就用右手）記憶口訣：左通力右生電。恒定的磁場只能施力于運動的電荷。這是因為一個磁場可能由運動的電荷產(chǎn)生，故可能施力于運動電荷，而磁場不可能由靜止電荷產(chǎn)生，因而也不可能施力于靜止電荷。而這個力一直垂直于粒子的運動方向，所以不可能改變粒子的運動速度的大小。所以恒定的磁場也不可能把能量傳輸給運動的電荷。磁場可以改變電荷的運動方向，電場可以改變電荷的運動速度。當(dāng)你把磁鐵的磁感線和電流的磁感線都畫出來的時候，兩種磁感線交織在一起，按照向量加法，磁鐵和電流的磁感線方向相同的地方，磁感線變得密集；方向相反的地方，磁感線變得稀疏。磁感線有一個特性就是，每一條同向的磁感線互相排斥！磁感線密集的地方“壓力大”，磁感線稀疏的地方“壓力小”。于是電流兩側(cè)的壓力不同，把電流壓向一邊。拇指的方向就是這個壓力的方向。區(qū)分與右手定則。(即磁場產(chǎn)生磁感線，磁感線產(chǎn)生壓力）μ為電荷的遷移率（m2/vs）電流密度載流子電阻率霍爾電勢為：令則(7-5)霍爾系數(shù)靈敏度半導(dǎo)體材料（尤其是N型半導(dǎo)體）電阻率較大，載流子遷移率很高，因而可以獲得很大的霍爾系數(shù)，適于制造霍爾傳感器。

若磁場方向與元件平面法線方向成角度θ時，則作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即Bcosθ，則有

結(jié)論:當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，霍爾電勢的方向也將改變，霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度B.kH越大越好，要求d越小,所以霍爾元件的厚度都很薄。但霍爾元件越薄時，霍爾元件的輸入和輸出阻抗增加，元件的功耗增加，因此，霍爾元件并不是越薄越好。

當(dāng)載流材料和幾何尺寸確定后，霍爾電勢的大小只和控制電流I和磁感應(yīng)強度B有關(guān)，因此霍爾傳感器可用來探測磁場和電流，由此可測量壓力、振動等。霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I，在與薄片平面法線方向上施加磁感應(yīng)強度為B的磁場。由于洛侖茲力的作用，通電導(dǎo)體片中的載流子分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，在元件的兩端形成橫向電場，稱作霍爾電場?；舳妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍耳電場力和洛侖茲力相等。此時，在片子兩側(cè)的電壓方向與磁場和電流方向垂直，成為霍爾電壓。此時，在片子兩側(cè)的電壓方向與磁場和電流方向垂直，定義該電壓為霍爾電壓UH，UH的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度B，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。7.2.3、結(jié)構(gòu)及其特性分析圖7-8霍爾元件的符號（1）材料:霍爾元件常用的半導(dǎo)體材料有N型硅（Si）、N型鍺（Ge）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）、砷化鎵（GaAs）等?；魻栐陔娐分锌捎脙煞N符號表示，如圖7-8所示。霍爾元件

（2）主要技術(shù)參數(shù)(了解) ①靈敏度KH：指元件在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流下得到的開路霍爾電壓。②輸入電阻RI：指元件的兩控制極之間的等效電阻。

（7-7）③輸出電阻RT：指兩個霍爾電極之間霍爾電勢對于外電路而言相當(dāng)于電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。（7-8）④不等位電勢UO：在額定控制電流作用下，無外加磁場時，霍爾電勢不為零,此時元件輸出端的開路電壓稱為不等位電動勢。它是由霍爾元件的厚度不均勻或電極安裝不對稱等原因造成的，一般應(yīng)在外電路設(shè)計時增加平衡電橋用于消除不等位電動勢的影響。⑤不等位電阻：不等位電勢與額定控制電流之比。⑥寄生直流電勢UOD：無外加磁場時，交流控制電流通過霍爾元件而在兩霍爾電極間產(chǎn)生的直流電勢。是由霍爾電極與霍爾片之間的非完全歐姆接觸而產(chǎn)生的整流效應(yīng)引起的。⑦感應(yīng)零電勢：無控制電流時，霍爾元件在交流或脈動磁場中會有電勢輸出，這個輸出就是感應(yīng)零電勢，產(chǎn)生感應(yīng)零電勢的原因是由于霍爾電極引線布置不合理而造成的。（3）電磁特性

霍爾元件的電磁特性包括控制電流與輸出之間的關(guān)系，霍爾電勢與磁場（恒定或交變）之間的關(guān)系，元件的輸入或輸出電阻與磁場之間的關(guān)系等特性。①UH-I特性 在磁場和環(huán)境溫度一定時，霍爾輸出電勢UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系，二者的比值稱為控制電流靈敏度，用K1表示

（7-9）由式（7-5）可以得到

K1=KHB（7-10）凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的量，均能進(jìn)行測量。UH—B特性當(dāng)控制電流不變時，霍爾電壓與磁場具有單值關(guān)系，在磁不飽和時，UH與B具有線性關(guān)系。②③R-B特性

指霍爾元件的輸入（或輸出）電阻與磁場之間的關(guān)系，霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場的絕對值增加而增大，這種現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。霍爾元件的磁阻效應(yīng)使霍爾輸出降低，尤其在強磁場時，輸出降低較多，應(yīng)想辦法予以補償。7.2.4、霍爾元件測量磁場的電路

圖7-9霍爾元件測量磁場電路原理:將霍爾元件平面與待測磁感應(yīng)強度B垂直,控制端輸入恒定的工作電流,霍爾電勢輸出端接毫伏表測量輸出值圖7-10霍爾元件驅(qū)動電路對霍爾元件可采用恒流驅(qū)動或恒壓驅(qū)動，如圖7-10所示。恒壓驅(qū)動電路簡單，但隨著霍爾元件的內(nèi)阻的變化導(dǎo)致性能變差。隨著磁感應(yīng)強度增加，控制電流與輸出電勢線性度變差，僅用于精度要求不太高的場合；恒流驅(qū)動線性度高，控制電流不會隨相關(guān)參數(shù)變化而產(chǎn)生變化，因此精度較高，受溫度影響小。7.2.5、霍爾元件的誤差分析及補償不等位電勢及其補償

霍爾元件的零位誤差包括不等位電勢、寄生直流電勢、和感應(yīng)零電勢，其中不等位電勢UO是最主要的零位誤差。要降低UO除了在工藝上采取措施以外，還需采用補償電路加以補償。

在額定控制電流作用下，無外加磁場時，霍爾電勢不為零,此時元件輸出端的開路電壓稱為不等位電動勢。它是由霍爾元件的厚度不均勻或電極安裝不對稱等原因造成的，一般應(yīng)在外電路設(shè)計時增加平衡電橋用于消除不等位電動勢的影響。圖7-11霍爾元件不等位電勢補償電路不對稱補償電路。這種電路結(jié)構(gòu)簡單易調(diào)整，但工作溫度變化后原補償關(guān)系遭到破壞，需要進(jìn)行重新調(diào)整（b）、（c）、（d）是對稱電路，因而在溫度變化時補償?shù)姆€(wěn)定性要好些，但這種電路減小了霍爾元件的輸入電阻，增大了輸入功率，降低了霍爾電勢的輸出。誤差原因:

霍爾元件是用半導(dǎo)體材料制成，因此它的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的電阻率和霍爾系數(shù)都將發(fā)生改變。補償方法:選用溫度系數(shù)小的元件；采用恒溫措施；采用恒流源供電等。溫度誤差及其補償圖7-12恒流源供電溫度補償電路補償原理:對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在元件控制極并聯(lián)一個分流電阻Ro,當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，分流電阻Ro自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流設(shè)在初始溫度T0時，元件靈敏度系數(shù)為KH0、輸入電阻為r0，當(dāng)溫度由T0變化到T，即有ΔT=T-T0時，r為霍爾元件實際電阻，各參數(shù)變化為。r=r0(1+βΔT),KH=KH0(1+αΔT)（7-11）β—霍爾元件輸入電阻r的溫度系數(shù);α—靈敏度KH0的溫度系數(shù)由于溫度為T0時有在溫度為T時有溫度為T0和T時輸出相等,盡而求出補償電阻.要使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證在B和I的值為常數(shù)，溫度為T和T0時有UH0=UH，即有：KH0IC0B=KHICB（7-14）當(dāng)霍爾元件選定以后，r0、α、β為定值，其值可在產(chǎn)品說明書中查到，選擇適合的補償分流電阻R0，使由于溫度引起的誤差降至極小。7.2.6、霍爾傳感器的應(yīng)用將上式積分得:

UK=KX

霍爾壓力計如圖7-13所示。圖7-13(a)霍爾壓力計

當(dāng)元件的控制電流I保持不變，霍爾元件沿X方向移動時霍爾電勢的變化利用霍爾元件測量位移慣性小、反應(yīng)速度快，可用來測量力、壓力、壓差、液位、流量等。 圖7-14霍爾位移傳感器原理圖7.3、磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管是七十年代迅速發(fā)展起來的一種新型磁敏器件，與霍爾元件相比具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。用它可以判斷磁場方向和磁場強度，因而在磁場測量、磁力探傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量以及工業(yè)自動控制的各種觸點開關(guān)，直流無刷電機(jī)和地震預(yù)報等方面得到了廣泛的應(yīng)用。其靈敏度比霍爾元件大1-2個數(shù)量級。磁阻效應(yīng)：載流導(dǎo)體置于磁場中,除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運動方向偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場越強增大電阻的作用越強。外加磁場使導(dǎo)體(半導(dǎo)體)電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。磁阻元件類似霍爾元件，但它的工作原理是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)(或稱高斯效應(yīng))。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別在于感應(yīng)電動勢相對于電流的方向，霍爾電勢是垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化式中ρB—磁感應(yīng)強度為B時的電阻率；

ρ0—零磁場下的電阻率；

μ—電子遷移率；

B—磁感應(yīng)強度。當(dāng)電阻率變化為Δρ＝ρB-ρ0時，則電阻率的相對變化為：

Δρ/ρ0=0.273μ2B2=Kμ2B2。由此可知，磁場一定時遷移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半導(dǎo)體材料），其磁阻效應(yīng)越明顯。磁阻效應(yīng)表達(dá)式：7.3.1、磁敏二極管結(jié)構(gòu)磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑的無復(fù)合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（為r區(qū)），因為電子—空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。 圖7-15磁敏二極管結(jié)構(gòu)磁敏二極管的工作原理和主要特性

磁敏二極管未受到外界磁場作用時，當(dāng)磁敏二極管P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極時，外加正向偏壓后，大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。區(qū)有固定的阻值，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度快，因此電子和空穴一進(jìn)入r區(qū)就被復(fù)合掉。相應(yīng)的I區(qū)的載流子密度減小，電流減小，電阻增加。而當(dāng)I區(qū)電阻增加后，外加偏壓分配在I區(qū)的電壓增加，從而降低了在PI和NI結(jié)的電壓，節(jié)電壓的減小進(jìn)一步減少載流子的注入，使得I區(qū)的電阻進(jìn)一步增加，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏移，由于行程變長，載流子在I區(qū)的停留時間增加，復(fù)合減小。同時，因I區(qū)載流子密度增加，電流增加，電阻減小。導(dǎo)致正向偏壓在I區(qū)的分壓降低，而PI和NI結(jié)上的電壓進(jìn)一步增加，促使更多的載流子注入I區(qū)，進(jìn)一步使電阻減小，最終達(dá)到穩(wěn)定值。 總結(jié):1、磁敏二極管是采用電子與空穴雙重注人效應(yīng)及復(fù)合效應(yīng)原理工作的，具有很高的靈敏度。2、利用磁敏二極管在磁場強度的變化下其電流發(fā)生變化，就可以實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。3、由于磁敏二極管在正、負(fù)磁場作用下，其輸出信號增量的方向不同，因此利用這一點可以判別磁場方向。

磁電特性

給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量和外加磁場的關(guān)系。如圖7-16所示，給出的是單個磁敏二極管和互補使用時的磁電特性曲線。單個使用時，正向磁靈敏度要大于反向靈敏度?；パa使用時，正向和反向特性曲線基本對稱。在弱磁感應(yīng)強度下，磁電特性有較好的線性度。圖7-16磁敏二極管正向偏壓和通過其電流的關(guān)系伏安特性：

磁敏二極管正向偏壓與通過其上電流的關(guān)系。不同磁場強度H作用下，鍺磁敏二極管的伏安特性如圖7-17所示。圖7-17

鍺磁敏二極管的伏安特性

溫度特性

在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化規(guī)律。實際使用必須進(jìn)行溫度補償。硅管的使用溫度是-40oC～+85oC，鍺管是-40～+65oC。硅磁敏二級管的溫度特性如圖7-18所示。圖7-18硅磁敏二極管的溫度特性電流電壓常用的補償電路（1）互補式電路取用兩個特性相近的管子串聯(lián)起來，按照磁極性相反的方法組合。 圖7-19磁敏二極管的溫度補償電路（2）差分式電路如圖（b）

所示，輸出電壓為：U0=△U1++△U2-（3）全橋式電路如圖（c）

所示，由兩個極性相反的互補電路并聯(lián)組成，輸出電壓為：U0=2（△U1++△U2-）

（b）（c）7.3.2、磁敏三極管的工作原理和主要特性(了解)

磁敏三極管有NPN型和PNP型結(jié)構(gòu)，按照半導(dǎo)體材料又可分為鍺磁敏三極管和硅磁敏三極管。NPN型磁敏三極管（如圖7-20所示）是在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極，在長基區(qū)的側(cè)面制成一個復(fù)合速度很高的r區(qū)?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長基區(qū)分為運輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。圖7-20磁敏三極管的工作原理及符號 工作原理 當(dāng)磁敏三極管末受磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜l。如圖7-21所示。圖7-21磁敏三極管的工作原理當(dāng)受到正向磁場(H+)作用時，如圖7-22所示。由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射極一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著降低，當(dāng)反向磁場(H-)作用時，在磁場H-的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。圖7-22磁敏三極管不同磁場方向下工作原理由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。伏安特性 圖7-23（a）是磁敏三極管在無外加磁場條件下的伏安特性曲線，與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖7-23（b）可知，在基極恒流條件下（Ib=3mA）,磁感應(yīng)強度為0.1T時，集電極電流變化。（a）（b）圖7-23磁敏三極管不同磁場強度伏安特性曲線磁電特性 磁敏三極管的磁電特性是最重要的工作特性，圖7-24為國產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場作用下，曲線近似于一條直線。圖7-24磁敏三極管不同磁場強度伏安特性曲線

溫度特性及其補償磁敏三極管對溫度比較敏感。鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8％/0C；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6％/0C。

對于硅磁敏三極管因其具有負(fù)溫度系數(shù)，可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來補償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。具體補償電路如圖7-25所示。當(dāng)溫度升高時，BG1管集電極電流IC增加。導(dǎo)致BGm管的集電極電流也增加，從而補償了BGm管因溫度升高而導(dǎo)致IC的下降。 利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一特性，使其作為硅磁敏三極管的負(fù)載，從而當(dāng)溫度升高時，可補償硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降,如圖7-26所示。圖7-26磁敏三極管和鍺磁敏二極管組合溫度補償電路圖7-27磁敏三極管溫度差動補償電路圖7-27是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動電路。這種電路既可以提高磁靈敏度，又能實現(xiàn)溫度補償，它是一種行之有效的溫度補償電路。頻率特性 3BCM鍺磁敏三極管對于交變磁場的頻率響應(yīng)特性為10kHz。磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度h+和負(fù)向靈敏度h-兩種。其定義如下：（7-19）圖8-28電流輸出型IC溫度傳感器原理圖電流輸出型IC溫度傳感器原理圖如圖8-29所示。從圖中不難看出。

UBE1=UBE2；IC3=IC4設(shè)計時，取VT3發(fā)射極面積為VT4發(fā)射極面積的8倍,于是根據(jù)式(8-34)得電阻R上的電壓輸出為：7.4、巨磁電阻磁傳感器(了解)7.4.1、電子自旋；7.4.2、常見的磁電阻體系；7.4.3、巨磁電阻傳感器的檢測電路；7.4.4、GMR傳感器應(yīng)用實例7.4.1、電子自旋（1）斯特恩—蓋拉赫實驗（Stern-Gerlach）（1922年）如圖7-28所示，當(dāng)使基態(tài)（I=0）的銀原子束通過不均勻磁場時，基態(tài)銀原子沉積到兩個不同的區(qū)域，即銀原子束僅分裂成兩束，具有兩個態(tài)。這表明基態(tài)銀原子存在磁矩，而這磁矩在任何方向上的投影僅取二個值。由于銀原子處于基態(tài)，故磁矩不可能是由于軌道運動產(chǎn)生的，因此，只能是電子本身產(chǎn)生的磁矩，這磁矩稱為內(nèi)稟磁矩，與之相聯(lián)系的角動量稱為電子自旋，這個實驗直接證實了半整數(shù)角動量的存在。圖7-28史特恩-蓋拉赫實驗(2)烏倫貝克-古德斯密特

(G.Uhlenbeck,S.Goudsmit)假設(shè) 1925年二人合作根據(jù)實驗結(jié)果提出電子自旋的假設(shè)：電子具有自旋角動量S，它在空間任何方向上的投影值（測量值）僅取兩個值，例如Z方向，式中，h為狄拉克常數(shù)的研究，（7-20）由于電子具有自旋，它也具有自旋磁矩（內(nèi)稟磁矩）Ms,，它與自旋角動量關(guān)系是:（7－21）-e和μ分別是電子的電荷和質(zhì)量，Ms在空間任何方向上的投影值（測量值）僅取兩個值

（7－22）（玻爾磁子）

電子自旋與軌道角動量的不同之處：(1)電子自旋純粹是一種量子特征，它沒有對應(yīng)的經(jīng)典物理量，不能由經(jīng)典物理量獲得其算符。電子自旋雖具有角動量的力學(xué)特征，但不能像軌道角動量那樣表達(dá)成坐標(biāo)和動量的函數(shù)，即電子自旋是電子內(nèi)部狀態(tài)的反映，它是描述微觀粒子的又一個動力學(xué)變量，是繼n，l，m之后的描寫電子自身狀態(tài)的第四個量；(2)電子自旋值不是

的整數(shù)倍而只能是③電子自旋的回轉(zhuǎn)磁比率MSZ/SZ=-e/μ，它是電子軌道運動回轉(zhuǎn)磁比率MLZ/LZ=-e/2μ的兩倍。7.4.2、常見的磁電阻體系

GMR效應(yīng)是指外磁場的作用在于改變材料內(nèi)部磁序組態(tài)。1986年德國的格倫伯格首先在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間耦合(即當(dāng)非磁性金屬Cr薄層的厚度合適時，它兩邊的Fe薄層的磁化方向是相反的)。這種薄膜一般處于高電阻狀態(tài)，因為傳導(dǎo)電子有兩種自旋取向，每種取向的電子容易穿過磁矩排列和自身自旋方向相同的那個膜層，而在通過磁矩排列和自身自旋方向相反的那個膜層時會受到強烈的散射作用，即沒有哪種自旋狀態(tài)的電子可以穿越兩個磁性層，這在宏觀上就產(chǎn)生了高電阻狀態(tài)。當(dāng)在多層膜上外加磁場后，膜內(nèi)磁矩排列與外場相同，則有一半的自旋狀態(tài)的電子通過多層膜，從而使多層膜呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)。 目前，已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、顆粒膜、納米顆粒合金薄膜、磁性隧道結(jié)和氧化物超巨磁電阻薄膜等5大類。7.4.3、巨磁電阻傳感器的檢測電路對于線性傳感器，通常希望能有高的靈敏度，比較大的線性范圍，零偏置工作點，即對大小相等、方向相反的磁場能得到正負(fù)相反的輸出信號。但實際上，單個自旋閥電阻條的傳感單元要做到這一點并不容易，這是因為自由層和被釘扎層之間的耦合作用通常使磁電阻曲線的中心偏離零點。對線性傳感器而言，常采用的傳感單元是一個四橋臂的惠斯通電橋，如圖7-29所示。4個電阻條采用相同的電阻特性的材料。設(shè)定電阻為R，電阻變化為△R。則電橋的輸出電壓為:

圖7-29GMR檢測電路7.4.4、GMR傳感器應(yīng)用實例

位移檢測系統(tǒng)在機(jī)械制造工業(yè)和其它工業(yè)的自動檢測技術(shù)中占有很重要的位置。目前的位移檢測系統(tǒng)根據(jù)原理主要有電位器式、電阻應(yīng)變式、電容式、柵式、磁柵式等等。其中磁柵式的抗震動和抗沖擊性能高，適宜在水、油、塵、高溫等惡劣環(huán)境下應(yīng)用，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、成本較低，在精密造行業(yè)中的應(yīng)用尤為廣泛。

磁柵尺位移檢測系統(tǒng)又稱磁柵數(shù)顯卡尺，主要包括三個部分：磁柵、GMR磁柵尺傳感器、信號處理電路。

圖7-30為磁柵尺位移檢測系統(tǒng)的原理圖。在尺子上覆蓋一層磁性薄膜，磁極分布如圖所示。GMR磁柵尺傳感器在磁柵上移動時，在原點復(fù)位，向左向右移動時，通過判斷兩個GMR電橋的輸出電壓變化判斷方向。最終輸出信號隨著傳感器位置的移動發(fā)生改變，系統(tǒng)將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰戚敵鲋担詈髷?shù)顯輸出。7-30磁柵尺位移檢測系統(tǒng)的原理圖7.5、巨磁阻抗磁傳感器7.5.1、巨磁阻抗效應(yīng)原理；7.5.2、巨磁阻抗傳感器典型電路；7.5.3、巨磁阻抗傳感器的應(yīng)用。簡介：

1988年，Baibich等人在Fe/Cr超晶格多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)(Gaintmagneto-resistance，簡稱GMR)，將磁靈敏度從原有霍爾元件和磁阻元件的0.1%/Oe提高到1%/Oe。1994年，IBM公司首次把GMR材料用于制造GMR自旋閥結(jié)構(gòu)讀出磁頭（GMRSV），當(dāng)年就獲得了每平方英寸10億位（1Gb/平方英寸）的HDD面密度世界紀(jì)錄，1995～1996年，IBM產(chǎn)的HDD面密度繼續(xù)領(lǐng)先，達(dá)到了5Gb/平方英寸。作為傳感器，GMR材料具有功耗小、可靠性高、成本低等優(yōu)點，但是在實際運用過程中，金屬多層膜材料的GMR效應(yīng)不是十分顯著，靈敏度不高，極大限制了其更廣泛的應(yīng)用。

1992年，Mohri等人在測量了FeCoSiB非晶絲的磁滯回線后，發(fā)現(xiàn)FeCoSiB非晶絲磁滯回線面積很大，具有較好的軟磁性。

在通入高頻交流電時，沿非晶絲的軸向加入恒定磁場后，非晶絲兩端的電壓變化很大。從而發(fā)現(xiàn)非晶絲具有較強的磁敏感性，定義為MI(MagnetoInductive，磁電感)效應(yīng)。由于，該現(xiàn)象具有比GMR現(xiàn)象更高的磁敏感性，同時又具有較好的溫度穩(wěn)定性，引起了各國科學(xué)家的注意，紛紛開展MI現(xiàn)象的研究。很快，人們發(fā)現(xiàn)隨著電流頻率的增加，非晶絲的磁電阻和磁電感由于受趨膚效應(yīng)的影響，變化十分明顯，1995年，M.Noda開始用MI(MagnetoImpedance，磁阻抗)描述實驗現(xiàn)象。后來，最終定義成為GMI(GiantMagnetoImpedance，巨磁阻抗)現(xiàn)象。開始，人們的研究重點集中在鈷基軟磁非晶絲，但很快將研究范圍擴(kuò)展到薄帶、薄膜及鐵基納米晶材料，并研制出了各種基于GMI效應(yīng)的傳感器。表7-1給出了各種傳感器的比較。與普通的傳感器相比，基于GMI效應(yīng)的傳感器具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，尺寸小，無磁滯等優(yōu)點。此外，基于GMI效應(yīng)的磁傳感器探頭檢測的是磁通量而不是磁通量的變化，同時與被測面是非接觸的，比GMR磁頭有更大的空隙，這對探測微觀世界、小顆粒等磁信息方面有著更大的優(yōu)勢。因而具有更廣闊的應(yīng)用前景。表7-1各種磁傳感器的比較傳感器探測頭尺寸測量精度響應(yīng)速度功耗霍爾傳感器10–100μm4A/m±80kA/m1MHz10mW磁阻傳感器10–100μm8A/m±8000A/m1MHz10mW巨磁阻傳感器10–100μm0.8A/m±1600

A/m1MHz10mW磁通門傳感器10–20mm80μA/m±240A/m5kHz1W磁阻抗傳感器1–2mm80μA/m±240A/m1MHz10mW7.5.1、巨磁阻抗效應(yīng)原理Panina和Mohri研究認(rèn)為，GMI現(xiàn)象可以利用趨膚效應(yīng)等經(jīng)典的電磁學(xué)理論進(jìn)行解釋，GMI效應(yīng)的產(chǎn)生主要由于其特殊的磁疇結(jié)構(gòu)在交變磁場和軸向磁場的共同作用下發(fā)生變化而引起阻抗值發(fā)生改變。電磁波通過絲狀材料時，微絲的阻抗Z可表示成：（7-23）式中，是微絲的直流電阻式(7-23)是微絲阻抗表示式的一般形式，δ是趨膚深度，在頻率很低時和頻率很高時低頻時，J0(ka)，J1(ka)可近似表示為：（7-24）（7-25）將J0(ka)，J1(ka)代入阻抗表達(dá)式,可得到：Z=Rdc+jωLi，

其中Li是元件的內(nèi)電感，其表達(dá)式為：從上式可以看出，Li與元件的半徑無關(guān)，僅由磁導(dǎo)率和長度決定。此時，GMI效應(yīng)主要表現(xiàn)為磁電感效應(yīng)。用Li的表達(dá)式來表示Z的一般表達(dá)式，則Z在高頻時表示為式7-26和低頻時表示為式7-30：（7-26）高頻時，趨膚效應(yīng)顯著Bessel函數(shù)的近似式可寫為：那么有：（7-27）（7-28）（7-29）因此Z表示為：（7-30）從式(7-30)可以看出，由于趨膚效應(yīng)，元件的阻抗不僅是電抗分量與ω、μ有關(guān)，電阻分量也與ω，μ有關(guān)。對微絲GMI效應(yīng)的理論解釋可以按照不同頻率段作出近似解釋。

1.低頻下的巨磁電感現(xiàn)象

具有環(huán)向磁疇結(jié)構(gòu)的非晶絲，當(dāng)外磁場小于各向異性場時，對圓周磁化過程的主要貢獻(xiàn)來自疇壁位移，這樣就會產(chǎn)生局部渦流，一般情況下，可以忽略這種微觀渦流。

隨著驅(qū)動電流頻率的提高，磁化過程包括疇壁移動和磁矩轉(zhuǎn)動兩個過程。在低頻下，磁導(dǎo)率隨軸向磁場的變化主要是與渦流產(chǎn)生的疇壁位移阻尼有關(guān)，當(dāng)軸向磁場不斷增強，

微絲逐漸被飽和磁化，疇壁位移阻尼增加，疇壁移動被抑制，磁導(dǎo)率下降。

在低頻下,阻抗中的電阻電壓所占比例很大,一般都在90%以上，為將磁電感分量分離出來，可采用高通濾波器將電阻電壓去掉，而得到單純的電感電壓，使測量靈敏度得到大幅度提高。2.高頻下的巨磁阻抗現(xiàn)象

在高頻下，磁導(dǎo)率隨軸向磁場的變化主要與磁矩轉(zhuǎn)動阻尼有關(guān)。阻抗的計算要按(7-29)式進(jìn)行。此時，阻抗的電感和電抗分量都與環(huán)向磁導(dǎo)率有關(guān)，受軸向磁場影響。高頻下，軸向磁場使磁矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)，交變磁場使磁矩圍繞新的偏轉(zhuǎn)方向做螺旋運動，軸向磁場從零開始增加時，磁矩轉(zhuǎn)動過程開始成為主要的磁化現(xiàn)象，環(huán)向磁導(dǎo)率和