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巨磁(GMR)的原理和运用
| 发布时间: 2022-09-26 18:52:56 来源:亚博游戏下载 | | 分享到:

  “科学技能是第一出产力”,科学技能的开展,总是促进人类文明一次次飞速的前进。人类进入20年代末的时分,一门新的学科――磁电子学又产生于科学技能的全面开展中。它汲取最新科技开展的精华,交融磁学与微电子学之所长,开展其所不及,给人类技能文明开展又揭开了一页新的篇章。

  磁电子学是一门以研讨介观标准规模内自旋极化电子的输运特性以及依据它的这些共同性质而规划、开发的在新的机理下作业的电子器材为首要内容的一门交叉学科。它研讨的方针包含载流电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其运用等。

  电子既是电荷的负载体,一起又是自旋的负载体。以研讨、操控和运用半导体中数目不等的电子和空穴(即大都载流子和少量载流子)的输运特性为首要内容的微电子学是二十世纪人类最巨大的发明之一。但在这儿自旋状况是不与考虑的,电子的输运进程仅运用它的荷电性由电场来操控。是否能够运用电子的自旋来操作它的输运进程呢?这正是磁电子学所要研讨的首要内容。

  对巨磁电阻效应的研讨便是磁电子学的一个重要内容。磁场效果于磁性多层膜中导电电子的自旋,导致膜电阻产生很大的改动。这种改动能够经过丈量电阻或以电压办法反映出来。依据这种特色能够在许多范畴得到运用。

  科技服务于人类。科学技能只要同运用相结合才干发挥其“第一出产力”的效果并一起具有强壮的生命力。磁电子学的产生是巨大运用远景促进的成果,一起从其产生之初即为运用服务。到现在磁电子学的研讨仍在世界规模轰轰烈烈地进行,它的运用已开展到核算机磁头、巨磁电阻传感器、磁随机存贮器等许多范畴,跟着对CMR、TMR原理的进一步研讨和知道,必将开辟更为宽广的运用远景。鉴于磁电子学技能的新颖性和复杂性,关于磁电子学的研讨仍在继续不断地进行,其运用现在还仅限于巨磁电阻(GMR)规模,以下对此作较为翔实的介绍。其新的运用一日千里,还望咱们拭目而待。

  地球是一个大磁铁,地球外表的磁场大约为0.5Oe,地磁场平行地球外表并一直指向北方。运用GMR薄膜可做成用来勘探地磁场的高档罗盘。当能够一起勘探平面内磁场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经过GMR传感器的X和Y方向的电压相对改动而确认下来。图3显现这种传感器的具体作业原理。GMR磁场传感器随轮船的方向改动而改动其和地磁场的夹角,相对来说,也能够等效为地磁场的方向在改动。咱们已研发出能够勘探磁场X和Y方向分量的集成GMR传感器。此传感器可作为罗盘并运用在各种交通工具上作为导航设备。美国的NVE公司现已把GMR传感器用在车辆的交通操控体系。咱们知道,各种不同的车辆(物体)在外界都有其本身特征的磁场散布。经过用GMR弱场传感器可勘探各种车辆的磁场散布然后确认该车辆的类型。运用GMR传感器不只可勘探停止车辆的状况然后用在交通灯处的交通操控和泊车场处泊车方位的监控,而且也可勘探移动车辆的状况。具体来说,放置在高速公路边的GMR传感器能够核算和差异经过传感器的车辆。假如一起分隔放置两个GMR传感器,还能够勘探出经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,然后完结收费的自动操控。别的高灵敏度和低磁场的传感器能够用在航空、航天及卫星通信技能上。咱们知道,在军事工业中跟着吸波技能的开展,军事物件能够经过掩盖一层吸波资料而荫蔽,可是它们不管如何都会产生磁场,因而经过GMR磁场传感器能够把荫蔽的物体找出来。当然,GMR磁场传感器能够运用在卫星上,用来勘探地球外表上的物体和底下的矿藏散布。

  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巨细成正比。若将GMR磁场传感器及环形软磁集磁通器放置在通电导线邻近,则由GMR传感器的输出电压能够丈量导线中经过的电流。咱们已运用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场,并研发出线Oe的惠斯通电桥传感器。运用这种传感器可勘探电流高达10,000安培的直流和沟通。现在有三种办法可用来勘探电流:电阻短路的办法,其缺陷在于引进一电压降和这种办法不能供给上下级的阻隔。电流转化器则依据安培定理,可是其只是用来勘探直流。GMR磁场传感器不只可用来勘探直流和沟通而且还可确保上下级阻隔。跟着半导体集成技能的开展,现在已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起,然后完结了小型化、集成化,进步了灵敏度和下降了本钱。别的电流勘探原理,现在现已用作阻隔器、开关电源和无刷直流电机体系。阻隔器首要是把高电压及高电流状况下的初级信号经过电压/频率转化并传给下一级,鄙人一级再经过频率/电压转化成为电压或电流信号,因而上下级而不彼此搅扰。这种勘探电流巨细的阻隔器已被葡萄牙的一家公司所选用。至于开关电源,咱们运用两次堆积自旋阀多层膜的办法,已研发出可勘探微安级的交直流及勘探磁场规模在正负20Oe的GMR磁场传感器。而且与西班牙的一所大学协作,成功地把这种传感器用在开关电源线路中作为反馈体系,可改进其频率输出特性高达1MHz。至于在无刷直流电机的运用:咱们知道,有刷直流电机是用触摸碳刷或金属片做整流子供电,使转子旋转。这种触摸式整流子因冲突给电机带来十分欠好的影响,比方运用寿命短、噪音大、有火花、产生搅扰电磁波等。假如用GMR传感器代替电机的冲突整流子,那么就能够防止因电刷冲突而带来的影响,而且还能够完结电机高速旋转及其调速和稳速的意图。因而,它的安稳性和可靠性都十分高。别的,这种无刷电机转矩-分量比较大,速度转矩特性的线.给出了丈量电流的原理图。

  GMR磁场传感器来勘探被测物体的位移的原理是经过运用一永磁铁作为参照物,参照物相关于磁传感器的运动可等效为磁敏器材在均匀梯度的磁场中的移动,因而磁场传感器的输出则反映着磁场传感器或永磁铁的位移量。图5给出一圆柱磁钢及其周围的磁场散布。咱们已研发出一种能一起勘探X―Y方向位移的磁场传感器。因为选用集成技能,可使该磁场传感器小型化,一起进步了精度。这种传感器已成功运用在机器人及机械手的操控体系,并使其智能化和拿取、放置物体。别的也使机器人具有辨认物体的功用。这种位移传感器也可用在电梯及相应的升降体系作为操控体系。此外,能够用GMR位移传感器改造某些传统的工业外表,扩展其运用规模。例如,浮子流量计是一种得到广泛运用的非电量外表,假如改用磁性浮子和外配一个GMR磁位移传感器,就能制成一个有电压输出的数字型位移传感器。在轿车发动机中,为了完结电子焚烧,往往需求精细巩固的位移传感器来丈量发动机主轴的精确转角,决议焚烧时刻。曾经多用霍尔元件,现在彻底能够用GMR代替,然后进步作业温度规模和下降磁场触发磁场的强度。GMR位移传感器也可用在精细机床上来进步机械加工的精度。活塞在气缸中的运动状况也能够经过GMR位移传感器给勘探出来。

  为了丈量一物体的滚动视点的巨细,往往能够经过勘探磁钢因滚动而形成其磁场的方向相关于固定的GMR磁场传感器的改动,咱们研发出的可勘探平面内磁场方向和巨细的GMR磁场传感器能够勘探相对其滚动的磁钢的滚动视点。当一块磁铁固定在滚动轮子的边缘而GMR磁场传感器固定在轮子的周围并坚持必定的间隔时,参阅磁铁随轮子而滚动,每逢轮子滚动一圈,就会使产生一电压脉冲输出。图6给出角速度传感器的原理图。咱们运用集成技能已研发出专用来丈量角速度即转速的数字式自旋阀GMR磁传感器。该磁敏传感器可勘探各种状况下的角速度。该类GMR磁场传感器可用在各种长途抄表体系,在这儿包含了煤气、水、电表的数字式的处理。跟着自动化水平的进步,关于数字式的各种外表的需求量越来越大。咱们已与辽宁万恒科技有限公司建立了联络。该公司需求很多数字式GMR磁传感器运用在长途抄表体系。在轿车(摩托)工业中,GMR磁场传感器可用在刹车体系(ABS),经过勘探角速度然后起到制动效果。不久我国将参加世贸组织(WTO),因而轿车(摩托车)的防爆刹车体系的研发和运用的确是势在必行。至于电机马达职业,为了得到安稳转速的作业状况,转速的丈量和操控需求用GMR传感器来丈量角速度并经过反馈体系可得到安稳的角速度输出。一起,GMR角速度传感器也可用在洗衣机职业。跟着机算机的存储密度的进步,对伺服体系的要求也在进步,关于磁盘转速的操控的精度也在进步,因而磁场角速度传感器将会运用在该范畴。别的,运用GMR薄膜资料可研发出各种用处的磁性编码器。磁性编码器的长处在于不易受尘土、结露、影响、对湿润气体和污染不灵敏,一起其结构简略紧凑,可高速作业,而且其呼应速度快(纳秒级),体积比光学式编码器小,而本钱更低,且易将多个元件精确地集成,比用光学元件和半导体霍尔磁敏元件更简单构成新功用器材和多功用器材。因为磁性编码器具有上述许多长处,因而近年来在高精度丈量操控范畴中的运用不断添加,其商场需求量每年以20-30%的速度增加。在高速度、高精度、小型化、集成化及长寿命的要求下,在剧烈的商场竞争中,磁性编码器以其杰出特色而独具优势,成为开展高技能的要害。

  人体之中存在着各种形式的机械运动,它们是机体完结必要的生理功用的条件和确保,因而检测这些生物机械运动,不管对基础医学仍是对临床医学来讲,都具有十分重要的含义。曾经,因为有必要运用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而限制在方面医学的开展。高灵敏度及集成化的GMR磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的非触摸式的勘探供给了便利,并推进其开展。下面介绍几种特别在此方面的运用。磁性生物传感器的原理如图7所示:首要各式各样的细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA能够用纳米级的磁性小颗粒来符号,也便是首要是这些被勘探的方针磁性化,然后在用高灵敏度的GMR磁场传感器来勘探它们的具体方位。这种也可用于医学及临床剖析、DNA剖析、环境污染监测等范畴。高灵敏度的GMR传感器也可用在用来脑电图、心计图等的高精度的仪器设备上,来确诊类似于脑肿瘤病变的问题。运用GMR磁场传感器能够检测眼球运动、眼睑运动的办法,这有助于定量点评和研讨疲倦、视力疲惫现象,和确诊某些眼科疾病。

  GMR磁场传感器能够勘探不同的磁性介质。在这种运用中,磁性介质携带着要被勘探的信息。磁性介质是有非磁性的基体和磁性资料组成,磁性资料放置在基体内或基体的外表。当携带着信息的磁性介质扫过GMR磁场传感器时,则特有的信息被勘探出来。传感器的输出依赖于磁性介质的功能、作业缝隙的间隔和传感器的灵敏度。现在首要用在磁性墨迹的辨认、磁性编码的读出、细微磁性微粒的勘探、介质磁性签字的辨别。

  加快度传感器是经过丈量被加快运动物体的惯性力来确认加快度的丈量设备。依据牛顿定律,被加快物体有一种惯性力,其巨细等于它的质量和加快度的乘积,而其方向与加快度方向相反。因为这种惯性力的存在,使被加快体系中悬挂的弹性片产生曲折,其曲折量可由GMR磁敏器材进行丈量,然后得到体系的加快度。

  因为运用了SPIN-VALVEGMR资料而研发的新一代硬盘读出磁头,现已把存储密度进步到现在(2000年)的560亿位/平方英寸,而且GMR磁头已占据磁头商场的百分之九十到九十五。现在磁记录存储密度已超越一切的存储办法。正是运用GMR资料,才使得存储密度在最近几年内每年的增加快度到达3―4倍。跟着低电阻高信号的TMR的取得,完结存储密度到1000亿位/平方英寸,将是近一两年的方针。

  运用SPIN-VAVLE,TMR资料和半导体集成技能正在研发一种新的核算随机存储器芯片,因为0和1状况的设置的原理来源于磁性资料特有的磁滞效应,因而在忽然断电时也不会丢掉信息。半导体的非易失存储器是以极微小的电容器,是运用存储一份电荷来保存信息。假如断电,这份电荷就要耗尽,信息就会丢掉。别的选用GMR的磁随机存储器将比半导体的非易失存储器速度快而廉价,美国的IBM和摩托罗拉及欧洲的菲利普、西门子和INESC都在赶紧研讨。

  运用GMR资料可研发出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。现在正在把磁性GMR多层膜和半导体资料集成在一起,首要是运用电子的自旋注入(SPIN―INJECTION)来开发新的磁性器材。全金属的核算机将成为可能。

  人类运用电子的荷电性在半导体芯片上发明了今日的信息时代,自旋极化输运给人类带来的或许又是一片宽广的六合。磁电子学给予人类以愿望和期望,一起也给予咱们更多、更大的应战。事实上人类关于自旋极化输运的了解还处于一个十分浅薄的阶段,对新出现的新现象、新效应的了解基本上仍是一种“凑集式”的、半经典的唯象理论。作为磁学和微电子学的交叉学科,磁电子学将不管在基础研讨仍是在运用开发上都将是凝聚态物理学作业者和电子工程技能人员大显神通的新范畴。

  磁电子学是一项方兴未已的工作,其开展必定带来人类技能文明的进一步开展。深圳华夏磁电子技能开发有限公司志在建立一个磁电子学在国内的开展渠道,广泛的招引国内外磁电子学人才,促进磁电子学在国内的产业化开展,在磁传感器芯片出产的基础上,开产出产磁随机存贮器、全金属核算机等高精尖磁电子产品,建立一个新技能与产业化同步开展的模范。