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巨磁電阻(GMR)磁場傳感器芯片的意義

發布者:長春三峰光電儀器制造有限公司2021-11-08
  一、巨磁電阻效應簡介
  磁電子學是一門以研究介觀尺度范圍內自旋極化電子的輸運特性以及基于它的這些獨特性質而設計、開發的在新的機理下工作的電子器件為主要內容的一門交叉學科。它研究的對象包括載流電子的自旋極化、自旋相關散射、自旋弛豫以及與此相關的性質及其應用等。
  電子既是電荷的負載體,同時又是自旋的負載體。以研究、控制和應用半導體中數目不等的電子和空穴(即多數載流子和少數載流子)的輸運特性為主要內容的微電子學是二十世紀人類最偉大的創造之一。但在這里自旋狀態是不與考慮的,電子的輸運過程僅利用它的荷電性由電場來控制。是否可以利用電子的自旋來操縱它的輸運過程呢?這正是磁電子學所要研究的主要內容。
  對巨磁電阻效應的研究就是磁電子學的一個重要內容。磁場作用于磁性多層膜中導電電子的自旋,導致膜電阻發生很大的變化。這種變化可以通過測量電阻或以電壓方式反映出來。根據這種特點可以在許多領域得到應用.


  二、巨磁電阻效應的應用

  科技服務于人類?茖W技術只有同應用相結合才能發揮其“第一生產力”的作用并同時擁有強大的生命力。磁電子學的產生是巨大應用前景促進的結果,同時從其產生之初即為應用服務。到目前磁電子學的研究仍在世界范圍轟轟烈烈地進行,它的應用已發展到計算機磁頭、巨磁電阻傳感器、磁隨機存貯器等許多領域,隨著對CMR、TMR原理的進一步研究和認識,必將開拓更為廣闊的應用前景。鑒于磁電子學技術的新穎性和復雜性,對于磁電子學的研究仍在持續不斷地進行,其應用現在還僅限于巨磁電阻(GMR)范圍,以下對此作較為詳盡的介紹。其新的應用日新月異,還望大家拭目以待。
  GMR傳感器可用來測量微小的位移及其相關的應用
  GMR磁場傳感器來探測被測物體的位移的原理是通過利用一永磁鐵作為參照物,參照物相對于磁傳感器的運動可等效為磁敏器件在均勻梯度的磁場中的移動,因此磁場傳感器的輸出則反映著磁場傳感器或永磁鐵的位移量。圖5給出一圓柱磁鋼及其周圍的磁場分布。我們已研制出一種能同時探測X—Y方向位移的磁場傳感器。由于采用集成技術,可使該磁場傳感器小型化,同時提高了精度。這種傳感器已成功運用在機器人及機械手的控制系統,并使其智能化和拿取、放置物體。另外也使機器人具有識別物體的功能。這種位移傳感器也可用在電梯及相應的升降系統作為控制系統。此外,可以用GMR位移傳感器改造某些傳統的工業儀表,擴大其應用范圍。例如,浮子流量計是一種得到廣泛應用的非電量儀表,如果改用磁性浮子和外配一個GMR磁位移傳感器,就能制成一個有電壓輸出的數字型位移傳感器。在汽車發動機中,為了實現電子點火,往往需要精密堅固的位移傳感器來測量發動機主軸的準確轉角,決定點火時間。以前多用霍爾元件,現在完全可以用GMR替代,從而提高工作溫度范圍和降低磁場觸發磁場的強度。GMR位移傳感器也可用在精密機床上來提高機械加工的精度;钊跉飧字械倪\動情況也可以通過GMR位移傳感器給探測出來。
  GMR角度位移及角速度傳感器和相關應用
  為了測量一物體的轉動角度的大小,往往可以通過探測磁鋼因轉動而造成其磁場的方向相對于固定的GMR磁場傳感器的改變,我們研制出的可探測平面內磁場方向和大小的GMR磁場傳感器可以探測相對其轉動的磁鋼的轉動角度。當一塊磁鐵固定在轉動輪子的邊沿而GMR磁場傳感器固定在輪子的旁邊并保持一定的距離時,參考磁鐵隨輪子而轉動,每當輪子轉動一圈,就會使產生一電壓脈沖輸出。圖6給出角速度傳感器的原理圖。我們利用集成技術已研制出專用來測量角速度即轉速的數字式自旋閥GMR磁傳感器。該磁敏傳感器可探測各種情況下的角速度。該類GMR磁場傳感器可用在各種遠程抄表系統,在這里包括了煤氣、水、電表的數字式的處理。隨著自動化水平的提高,對于數字式的各種儀表的需求量越來越大。我們已與遼寧萬恒科技有限公司建立了聯系。該公司需要大量數字式GMR磁傳感器應用在遠程抄表系統。在汽車(摩托)工業中,GMR磁場傳感器可用在剎車系統(ABS),通過探測角速度進而起到制動作用。不久我國將加入世貿組織(WTO),因此汽車(摩托車)的防爆剎車系統的研制和利用的確是勢在必行。至于電機馬達行業,為了得到穩定轉速的工作狀態,轉速的測量和控制需要用GMR傳感器來測量角速度并通過反饋系統可得到穩定的角速度輸出。同時,GMR角速度傳感器也可用在洗衣機行業。隨著機算機的存儲密度的提高,對伺服系統的要求也在提高,對于磁盤轉速的控制的精度也在提高,因此磁場角速度傳感器將會應用在該領域。另外,利用GMR薄膜材料可研制出各種用途的磁性編碼器。磁性編碼器的優點在于不易受塵埃、結露、影響、對潮濕氣體和污染不敏感,同時其結構簡單緊湊,可高速運轉,而且其響應速度快(納秒級),體積比光學式編碼器小,而成本更低,且易將多個元件精確地集成,比用光學元件和半導體霍爾磁敏元件更容易構成新功能器件和多功能器件。由于磁性編碼器具有上述諸多優點,因而近年來在高精度測量控制領域中的應用不斷增加,其市場需求量每年以20-30%的速度增長。在高速度、高精度、小型化、集成化及長壽命的要求下,在激烈的市場競爭中,磁性編碼器以其突出特點而獨具優勢,成為發展高技術的關鍵。


  三、發展前景

  人類利用電子的荷電性在半導體芯片上創造了今天的信息時代,自旋極化輸運給人類帶來的也許又是一片廣闊的天地。磁電子學給予人類以夢想和希望,同時也給予我們更多、更大的挑戰。事實上人類對于自旋極化輸運的了解還處于一個非常膚淺的階段,對新出現的新現象、新效應的理解基本上還是一種“拼湊式”的、半經典的唯象理論。作為磁學和微電子學的交叉學科,磁電子學將無論在基礎研究還是在應用開發上都將是凝聚態物理學工作者和電子工程技術人員大顯身手的新領域。
  磁電子學是一項方興未艾的事業,其發展必定帶來人類技術文明的進一步發展。深圳華夏磁電子技術開發有限公司志在建立一個磁電子學在國內的發展平臺,廣泛的吸引國內外磁電子學人才,促進磁電子學在國內的產業化發展,在磁傳感器芯片生產的基礎上,開發生產磁隨機存貯器、全金屬計算機等高精尖磁電子產品,樹立一個新技術與產業化同步發展的典范。
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