巨磁阻抗效应及其应用_董延峰
巨磁阻抗效应在传感器领域的应用
１、 易 升 降 机 的介 绍 和 现 状 简
简 易升 降 机 常 用 的有 三 种 门架 型 式 ： 字架 、 式 井 门 架 （ 称 龙１ 架 ） 自升 架 ， 地 区基本 上使 用的都 是 １ 俗 ＇ ］ 和 本 ］
基 片上 。其 中 Ｃ ｕ为导 体层 ， 有两 个 电流 、 电压 电极 ：ｉ ＳＯ 用 于避免 涡流损 耗和 介 电击 穿 ； Ｆ 层 厚 ５ ｎ 沉 积时 Ｎｉｅ ０ ｍ，
向膜 面 外 加 数 ｋ ／ 直 流 磁 场 ， 生 单 轴 各 项 异 性 场 ， Ａｍ 产 大 （ ） 车 里 程 表 测 速 传 感 器 ；ｂ） 喷 发 动 机 测 速 传 ａ汽 （ 电 感 器 ； Ｃ 线 性 位 移 传 感 器 ； ｄ 齿 轮 速 度 传 感 器 （） （）
在 用于 磁敏 开关 类型 的传 感器 时 ， 电路 中可 无需 放 大 电路 ， 因而 具 有高 稳 定和 抗 干扰 特性 ， 用 上述 巨 磁 利 阻抗磁 敏器 件研 制成 几种 汽车 用的传 感器 ， 如汽 车里程
流 传感器 、 字磁 罗盘 和三 维磁 强计 等 。使用 巨磁 阻抗 数
阻抗材 料在 实际 中 已得 到了广 泛的 应用 。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
利 用纳米材 料 的巨磁 阻抗效 应… 制 了各种 型号 的 研 磁敏 开关 元件 ， 广 泛 用于 汽车 里 程 表计数 、 可 电喷 发动 机 测速 、 防盗报 警等方 面 。其性 能指标 为 ： （） １ 灵敏度 ： 触发磁 场小于 ｏ５毫特斯 拉 （ ． ｍＴ）
良好 的线性关 系 。利 用此原 理 ， 设计 了量程 从 ０ ５ ～２ｍｍ
型化、 高灵 敏 度 、 高速 响 应 、 度 稳 定 性 和低 功 耗 于 一 温
巨磁电阻效应及在物理实验中的应用
图５中可以看出，线性最佳范围应在外磁感应强 度０．１５～１．０ ｍＴ，精确测量时可选外磁感应强度在该 范围内。从图５所显示的巨磁电阻Ｒ（Ｂ）与磁感应强 度日关系数据可知：①当磁感应强度曰增加时，巨磁 电阻阻值Ｒ（日）减小；②当磁感应强度Ｂ增加到某一 值Ｂ。时，巨磁电阻中所有磁矩方向均与外磁场方向一 致，这时就达到了电阻阻值饱和，外磁场增加，巨磁电 阻阻值不变。上述这两个特点只能用多层膜巨磁电阻 的自旋电子学理论才能解释。
它是由４个相同的巨磁电阻（Ｒ。＝Ｒ：＝Ｒ，＝Ｒ。＝Ｒ）组
成的直流电桥结构，Ｒ：和Ｒ。由高导磁率的材料（坡莫 合金层）覆盖屏蔽，阻值对外磁场无响应。Ｕ＋端和Ｕ．
端间开路，∥。。和０端为待测电阻的两端，当传感器处 于外磁场时，Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ；Ｒｌ＝Ｒ３＝Ｒ＋ＡＲ，ＡＲ为外磁 场磁感应强度为口时，单个巨磁电阻的电阻改变量；
万方数据
地急剧增加。他们认为，巨磁电阻效应是一种全新的 物理现象，其物理根源可能归因于磁性导体中传导电 子的自旋相关散射口－。巨磁电阻效应的发现极大地 推动了凝聚态物理学和信息存储领域的发展，并逐渐 形成了一门新的学科——磁电子学（又称自旋电子 学）。巨磁电阻效应的研究不仅在学术界引起了广泛 的关注，在经济领域也取得了巨大的成功，计算机上使 用的巨磁电阻（ＧＭＲ）读出磁头在多媒体信息库、网络 服务等方面已经产生了巨大的商业价值和深远的影 响，利用磁电阻效应制成的各类磁传感器，也将在汽 车工业、国防、航天等方面创造出巨大的社会财富。
万方数据
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巨磁电阻的应用
参考文献
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三巨磁电阻材料的应用现状1巨磁电阻传感器2巨磁阻磁记录读出磁头3巨磁电阻随机存储器mram1巨磁电阻传感器巨磁电阻传感器采用惠斯登电桥和磁屏蔽技术传感器基片上镀了一层很厚的磁性材料这层材料对其下方的巨磁电阻形成屏蔽不让任何外加磁场进入屏蔽的电阻器
一、巨磁电阻效应的定义
所谓巨磁电阻效应,是指材料的电阻率将受磁化状态 的变化而呈现显著改变的现象。一般定义为 GMR=[(P0-PH)/P0]×100% 其中,PH为在磁场H作用下材料的电阻率,P0指无外磁场作 用下材料的电阻率.
三、巨磁电阻材料的应用现状
1、巨磁电阻传感器 2、巨磁阻磁记录读出磁头 3、巨磁电阻随机存储器(MRAM)
1、巨磁电阻传感器
巨磁电阻传感器采用惠斯登 电桥和 磁屏蔽技术，传感器基 片上镀了一层很厚的磁性材料， 这层材料对其下方的巨磁电阻形 成屏蔽，不让任何外加磁场进入 屏蔽的电阻器。惠斯材料上方，受外加磁 场影响是电阻减少，而R2和R4 在磁性材料下方，被屏蔽阻值不 变。
巨磁电阻传感器由于具有巨大的GMR值和较大的磁场 灵敏度,表现出更强的竞争能力。 它大大提高传感器的分辨率,灵敏度、精确性等指标, 特别是在微弱磁场的传感方面,如可用于伪钞识别器等方 面,则显出更大的优势。更广泛的应用是各类运动传感器, 如对位置、速度、加速度、角度、转速等的传感,在机电 自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的应用。
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance, GMR）是一种物理现象，指在特定条件下，铁磁或亚铁磁材料中的磁电阻发生显著变化的现象。
这种现象在工业和科研领域具有广泛的应用价值，因此了解其原理及在各领域的应用十分重要。
一、巨磁阻效应的原理巨磁阻效应主要由以下几个因素决定：1.交换耦合：当两个磁性材料之间有耦合作用时，它们的磁矩会互相影响。
在特定的条件下，这种耦合作用会使材料的磁电阻发生显著变化。
2.层状结构：巨磁阻材料通常采用多层膜结构，其中每一层都可以作为电流通道。
当电流垂直于膜面流动时，各层中的磁矩会相互作用，导致电阻发生变化。
3.钉扎场：钉扎场是指材料内部由于杂质、缺陷或其他因素引起的局部磁场。
当电流在材料中流动时，钉扎场会对电流产生散射作用，导致电阻增加。
二、巨磁阻效应的应用巨磁阻效应在多个领域具有广泛的应用价值，以下是几个主要应用领域：1.硬盘读取头：巨磁阻材料制成的硬盘读取头是现代计算机和数据中心的核心组件之一。
由于其具有高灵敏度和低噪音的特性，使得硬盘读取头的读取速度和准确性得到大幅提升。
2.磁传感器：巨磁阻材料制成的磁传感器在医疗、工业和科研领域得到广泛应用。
例如，在医疗领域中，磁传感器可用于检测人体内的金属物体和进行磁场导航；在工业领域中，磁传感器可用于检测电动机和发电机的转子位置；在科研领域中，磁传感器可用于研究物质的磁性和电磁场分布。
3.磁场探测器：巨磁阻材料制成的磁场探测器可用于检测弱磁场和高精度测量磁场方向和大小。
例如，在地球物理勘探、生物医学和核磁共振等领域，磁场探测器具有重要应用价值。
4.磁记忆材料：巨磁阻材料制成的磁记忆材料具有高密度、高速度和高可靠性等优点，可用于数据存储和逻辑运算等领域。
与传统的半导体存储器相比，磁记忆材料具有更高的存储密度和更长的使用寿命。
5.磁场调控：巨磁阻效应还可以用于调控磁场分布和方向，从而在多个领域具有潜在的应用价值。
巨磁阻材料
生活中的功能材料——巨磁阻材料摘要：本文简要的介绍了巨磁阻效应的发现及概念、巨磁阻材料的原理、性能以及在生活中的应用，并对巨磁阻材料未来发展的进行展望。
关键词：巨磁阻；磁性材料；磁头；储存材料1.前言让硬盘内存更大，让商品更加轻薄短小，已成为现代信息产业不变的志业。
曾几何时，人们想要的只是能存几首歌的磁带，只是几十兆的软盘。
而现代人对动辄可保存上千首歌曲的mp3早已习以为常，计算机硬盘近年来的“瘦身”尤其显著，家用计算机硬盘的容量已经高达1TB。
藏在书桌下方的笨重计算机主机即将成为明日黄花，取而代之的是单手就可以拿着到处跑的手持式计算，且数据保存量远超过体积大上好几倍的老旧电脑。
将这些现实的，都要离不开巨磁阻材料扮演的重要角色。
瑞典皇家科学院指出，荣获诺贝尔物理学奖的费尔和格伦贝格，在将近廿年前分别发现的巨磁阻效应，奠定了今日硬盘读取磁头科技的基础。
利用该技术，相同的单位面积能容纳更多数据，相对的读写头也要更加灵敏才能增加读取效率。
因此在2007年10月,这两位科学家因分别独立发现了巨磁阻效应而共同获得了2007年的诺贝尔物理学奖。
2.巨磁阻效应发现及现象早在1988年费尔就发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。
那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）。
有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。
他们发现，该材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度减小, 电阻相对变化率比各向异性磁电阻高一到两个数量级。
磁场的微弱变化将导致巨磁阻材料电阻值产生明显改变，从而能够用来探测微弱信号。
3.巨磁阻效应概念及巨磁阻材料的原理巨磁阻材料的关键结构是在两个磁性金属层之间有一个非金属隔离层。
巨磁阻效及应用报告
巨磁阻效及应用报告巨磁阻效应是一种在外加磁场作用下发生显著磁电阻变化的物理现象。
这种效应是在1992年由巴黎莱旺研究机构的阿尔贝特罗蒂埃教授和他的团队首次发现的。
巨磁阻效应的应用前景巨大，因此引起了广泛的关注和研究。
巨磁阻效应基于磁电阻效应，即磁场对材料电阻的影响。
一般情况下，材料的电阻对磁场的变化不敏感。
然而，当材料中存在特殊的磁性结构时，如磁共振等，电阻对磁场的变化就会显著地变化，这就是磁电阻效应。
而巨磁阻效应是磁电阻效应中最明显的一种。
巨磁阻效应以具有巨大磁电阻变化的磁性材料为基础。
当这些材料处于没有外加磁场时，它们的电阻是最小的，可以达到几个百分点。
然而，当外加磁场作用于这些材料时，它们的电阻会迅速增加，甚至可以增加到几十个百分点。
这种磁电阻的巨大变化使得巨磁阻效应具有很大的应用潜力。
巨磁阻效应的应用非常广泛，尤其在磁存储技术中具有重要地位。
巨磁阻材料可以用来制造磁头，这是计算机硬盘驱动器中不可或缺的部分。
通过利用巨磁阻效应，磁头可以以非常小的尺寸来探测和读取硬盘上的磁场信息。
巨磁阻材料还可以用于制造磁阻随机存储器（MRAM），这是一种新兴的存储技术，具有快速的读写速度和非易失性的特点。
此外，巨磁阻效应还可以应用于传感器技术中。
例如，巨磁阻材料可以用于制造磁传感器，用来检测和测量磁场强度和方向。
磁传感器广泛应用于导航、地震监测、医疗诊断等领域。
此外，巨磁阻效应在自动控制领域也具有重要的应用。
例如，巨磁阻材料可以用于制造磁阻变结构，这种结构可以根据外界磁场的变化实时调节其电阻，从而实现对电路的精确控制和调节。
尽管巨磁阻效应在磁存储、传感器和自动控制等领域有着广泛的应用，但是该效应的原理和机制还需要进一步研究和理解。
目前，巨磁阻材料的性能还有待进一步提高和优化，以满足不同领域的应用需求。
随着材料科学和纳米技术的不断发展，相信巨磁阻效应的应用前景会越来越广阔。
巨磁电阻效应的研究与应用①
图 2 两种方法的比较结果
图中 :横坐标 P 表 示极 化 率 ;纵坐 标 TMR 表 示 磁性隧道结的电阻变化率。
可见 ,隧穿方 法的 计 算结 果 要 比隧 道 哈密 顿 方 法大得多 ,这主要是因为在利用隧 穿方法计 算时 ,为 了确保平行于界 面方 向上 的 动量 守 恒 ,只 有部 分 费 米面上的电子参与了隧穿过程 ,隧 穿电流减 小 ,导 致 了电阻计算结果偏大。由于两种方法在 应用时均 只 能和部分实验结果相符合 ,所以都 不够完善 ,因此 对
Abstract : The Giant Magneto-Pesistance (GMR) effect is the primary research direction of condensed matter physics , thus it attracts more and more attention of researchers .The theory and status of GMR effect is introduced .And its application is reviewed ;the basic characteristic ,operating theory ,applying area and existing problems of GMR sensor are analyzed .The applying prospect of GMR sensor is discussed at last . Key words : giant magneto - resistance effect ;sensor ; condensed matter physics
巨磁电阻效应
巨磁电阻效应巨磁电阻效应是一种材料的特殊电学性质，它在磁场的作用下，导致材料电阻发生变化。
这种效应最早于1857年被法国物理学家埃米尔·埃德蒙·皮卡尔发现，并在20世纪80年代得到了进一步的研究和应用。
一、巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的原理主要基于磁电阻效应和自旋极化效应。
当电流通过材料时，自由电子会受到周围磁场的影响而发生偏转。
当磁场垂直于电流方向时，自由电子的自旋方向和运动方向会发生关联，这也被称为自旋阻尼。
在自旋阻尼的作用下，自由电子的速度和自旋方向会发生变化，导致电子在材料中碰到来自其他自由电子的阻力。
这种阻力会导致材料电阻的增加，从而出现巨磁电阻效应。
二、巨磁电阻效应的应用1. 磁存储技术巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，例如硬盘驱动器和磁存储芯片。
在磁存储器中，巨磁电阻效应可以使得读取电路能够更加准确地检测到磁场的变化，从而实现数据的读取和写入。
2. 磁传感器由于巨磁电阻效应的敏感性和可控性，它在磁传感器领域得到了广泛的应用。
磁传感器利用巨磁电阻效应可以测量磁场的强度和方向，广泛应用于导航、车辆安全和医疗设备等领域。
3. 电子设备巨磁电阻效应还被应用于电子设备中，例如磁传感器、扬声器和微波器件等。
这些设备利用巨磁电阻效应可以实现电阻的调节和信号的处理。
三、巨磁电阻效应的优势和展望与传统电阻相比，巨磁电阻效应有以下几个优势：1. 效应大：巨磁电阻效应的变化幅度可达到几十倍甚至上百倍。
2. 快速响应：巨磁电阻效应的响应速度可以达到纳秒级别。
3. 高稳定性：巨磁电阻效应是一种内禀的性质，不受温度和时间的影响。
随着科技的不断进步和应用场景的拓宽，巨磁电阻效应在各个领域都有很大的发展潜力。
未来，随着材料科学和纳米技术的进一步发展，相信巨磁电阻效应将有更加广泛的应用，为人们的生活带来更多便利和创新。
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文章编号:1004-2261(2002)04-074-03巨磁阻抗效应及其应用董延峰,王 治,丁燕红(天津理工学院 材料物理所,天津300191)摘要:近年来在FeCoSiB等非晶和纳米晶丝带中发现了巨磁阻抗效应,由于其灵敏度高,因而在磁传感器技术中有巨大的应用前景,受到国内外专家的广泛关注.本文简单介绍了巨磁阻抗效应的原理,并结合近年来具有巨磁阻抗效应的非晶和纳米晶铁磁合金的应用研究进展情况,提出了巨磁阻抗效应可能广泛应用的领域.关键词:非晶;纳米晶;铁磁合金;巨磁阻抗效应中图分类号:TM27 文献标识码:AGiant magneto-impedance effects and their applicationsDONG Y an-feng,WANG Zhi,DING Yan-hong(Institute of M aterial Physics,Tianjin Institute of Technology,Tianjin300191,China)A bstract:Giant magneto-im pedance effects have been discovered in FeCoSiB amorphous andnanocrystalline w ires.These effects have giant sensitivity.Close attention has paid to it by schol-ars in lots of countries,since their g reat promising prospects in the application of sensor technolo-gy.In this article,the sources of giant magneto-im pendance effects are introduced briefly.And research developments of the effects and their applications in amo rphous and nanocrystalline soft magnetic alloy in recent years are summaried.The future applications are also described.Key words:amorphous;nanocrystalline;Fe-based mag netic alloy;giant mag neto-impedance1 GM I效应1992年,日本名古屋大学毛利佳年雄教授等人首先报道了在非晶磁性材料中发现其交流磁阻抗随外加磁场而变化的现象,这种现象非常灵敏[1～2].非晶丝的灵敏度达12%～120%/Oe[3],因此将此现象称为巨磁阻抗(Giant Magneto-impedance,GMI)效应.在室温下显著的磁阻抗效应和低外磁场下的高灵敏度,使这种效应在传感器技术和磁记录技术中具有巨大的应用潜能.接着美国波士顿大学教授Humphre y F B、瑞典皇家工学院Rao K V、日本Uniti-ka ltd公司在1994年的“MMM-INTERMAG联合会”和“快淬非晶磁性丝及应用研讨会”上均作了专题报告,对GMI效应的产生机制作了深入系统的分析研究,就实验数据作了理论解释.毛利等人的研究成果表明,在适当成分下, FeCoSiB非晶软磁丝具有良好的软磁特性.磁致伸缩系数趋近于零(～10-7),因为负的磁致伸缩导致切向各向异性,从而使磁畴结构沿着丝呈环形畴排列,如图1所示.通过丝的电流产生了一个易轴场,该场使畴壁移动产生环形磁化.外加纵向场H ex相对于环形磁化来讲是一个难轴场.会阻止环形磁通的变化.结果当H ex=0时,切向磁导率较大(～104),当H ex增加,切向磁导率随外磁场急剧减小,切向磁导率随外场灵敏度变化是巨磁阻抗效应产生的主要原因.第18卷第4期2002年12月 天 津 理 工 学 院 学 报JOURNAL OF TIANJIN INSTITUTE OF TECHN OLOGY Vol.18No.4 Dec.2002收稿日期:2002-09-08基金项目:天津市自然科学基金资助项目(003603111);天津市“材料物理与化学”重点学科资助项目第一作者:董延峰(1976-),男,硕士研究生图1 非晶丝的磁畴模型Fig .1 M odel for domain structure in negativemagnetostrietive amorphous wiresPanim a L V 等在研究急淬火法制得的非晶软磁丝时,发现在电流频率较低情况下(1kH z ～10kHz ),其感生电压下降350%,灵敏度为25%/Oe .这反映了切向磁导率随外磁场灵敏变化.在较高一些的电流频率(0.1MH z ～10MHz ),此时趋肤效应显著.当外加3Oe ～10Oe 的场时,丝的总电压降大约是40%～60%,灵敏度约10%/Oe[4].这些效应随外磁场变化不出现磁滞现象,并且能在1mm 长和几个微米直径的非晶丝得到,这对制作探测数量级为10-5Oe 的弱磁场的高灵敏度微传感器非常重要.2 GM I 应用进展随着信息技术的普及,各种信息设备,汽车和工业机器人一类机电设备,电力电子设备,医疗电子设备和工业测试设备的发展,都对磁传感器提出了越来越高的要求.为了检测磁记录介质和旋转编码器环形永磁体表面的定域微弱磁通量,检测头长度应小于1mm ;为了能够精确的非接触传感信号,磁通检测的灵敏度应为8×10-2～8×10-5A /m ;检测高密度记录应磁盘存储器表面磁通的变化,需要信号频率为0MHz ～10MHz 的响应速度;作为汽车和电动机用的微型磁传感器,在-50℃～+180℃温度范围应当由不稳定度小于0.01%FS ·℃-1的高温稳定性和最高工作温度;功耗要低于10mW ,使这种便携式微型传感器能够使用纽扣电池工作.通常使用的磁通传感器和磁通检测元件,例如磁通门传感器、霍尔元件和磁敏(M R )电阻元件,都不能完全满足这些要求.使用高性能细磁芯的磁通门磁强计,灵敏度可达8×10-5A /m ,但由于杂散电容,磁芯绕组会使传感器的响应速度低于数kHz .虽然霍尔元件和MR 元件都能做成微型器件,但它们的磁通检测率大约是0.1%/Oe .而且霍尔元件的最高工作温度在70℃;目前正在加紧开发的巨磁电阻(Giant Magneto -resistance ,GM R )元件是利用某些磁性材料的巨磁电阻效应,这种效应是在施加外加磁场的情况下材料的电阻发生巨变的现象.其灵敏度可以提高1个数量级,达到1%/Oe ,不过,它还存在辞滞、温度不稳定性等问题;使用目前研制的GM R 材料,必须在较高磁场(10kOe )中才能观察到效应,离实际应用还有一段较长的距离.巨磁阻抗(GM I )效应比巨磁电阻(GM R )效应大一个数量级.在室温下就可以得到相当大的磁阻抗效应,一般能达到12%Oe ～120%/Oe 的灵敏度.很多研究表明,具有显著GMI 效应的非晶或纳米晶丝(约1mm ),可以同时满足新型微型磁传感器所需的诸多条件.下面介绍一下国内外GM I 效应传感器的研究进展.2.1 GM I 微型传感头图2是科尔皮兹振荡器传感器组件电路[5].电路中利用GM I 元件的电感L 和电容C 1、C 2的共振产生振荡频率f =1/2π(LC 1C 2/(C 1+C 2))1/2.用1根Ф30μm 长的FeCoSiB 退火非晶丝作为GM I 元件,在C 1=C 2=10pF 和L =0.56μH 时,获得大约100MH z 高频振荡.在约160A /m 外磁场中,振荡电路的丝电压E w 下降100%.由于振荡电路中的阻抗和丝电流同时减小,E w 的下降率约为本征磁阻下降率的5倍,即磁通检测率灵敏度为50%/Oe .共振电路上由外场H ex 感生的振幅调制电压,通过检测H ex 波形的二极管D 和电容C 解调,只要有微小的直流电源电流,就足以使共振电路中的GMI 元件磁化.这个科尔皮兹电路以8mW 工作.这种微型传感头组件可以检测方向、旋转角和位移等物理量.图2 G M I 科尔兹振荡器传感器电路Fig .2 Circuit configuration of a field sensorusing colpitts vibrato r2.2 快速响应大电流传感器近来,随着用于交流电动机和各种传动机构的逆变器驱动电子控制系统技术的发展,急需能够测量数百甚至到2000A 的小尺寸快速响应大电流传感器.传统的霍尔效应传感器和新开发的75第4期 董延峰等:巨磁阻抗效应及其应用 非晶磁芯传感器在尺寸、重量级响应速度方面满足不了系统的要求.因此,Inada K等人[6]应用FeCoSiB非晶丝的GM I效应,开发一种新型的大电流快速响应传感器.其电路结构如图3所示.使用一对Co72.5Si12.5B15铸态非晶丝(Ф=130μm,l=5mm).电路中加负反馈环是为了改善输出电压-外磁场特性、频率特性和温度稳定性.使用1000pF电容C,获得约为10M的振荡频率.检测±3200A/m磁场具有很高的线性度,非线性度小于0.5%FS,介质频率高达300kHz.在室温到130℃工作温度范围内,传感头的温度变化仅为0.01%/℃FS.这种传感器在25mm距离内可检测交直流500 A,传感头与外磁场成80°角,可检测2000A.图3 GM I头共振式多谐振荡器磁场传感器电路Fig.3 Circuit configuration of a field sensor using a M I headresonant multivibrato r and a low-pass filter(L PF)2.3 位移传感器1993年,Takagi M等人[7]报导用这种传感器检测眼睑运动状态,图4是位移传感器的电路,电路为哈特莱振荡器型.他是把4根FeCoSiB退火非晶丝(Ф50μm,l=7mm)排列成星形,在其中心放置一块永磁片,磁片可以垂直移动.4根非晶丝互相串联,用50kH z、30mA正弦波圆周磁化,产生感生电压e L.欧姆电压在差分电路中被抵消.用差分运算放大器、解调器、低通滤波器电路,从解调电压e L减去直流偏压e b,得到传感器输出E out.把两个GM I元件固定在眼镜架上,两个永磁片贴在靠近鼻子的眼睑上,就可以传感两个眼睑的运动.直流偏压e b的振幅控制磁片位移的工作点,试验结果在约6m m处为线性检测区,得到输出E out±1.8V.通过检验眼睑的运动可以诊断疾病,检查汽车司机和计算机人员的视力疲劳程度.2.4 磁旋转编码器M ohri K等人[8]利用一根具有GM I效应的折叠的FeCoSiB非晶丝制成一种新型器件,他们把它成为磁阻抗元(MI),并将其应用到磁旋转编码器中,该编码器由8个串联的M I呈星形环状面对磁极分布,这种磁编码器消除了环形磁体的每个磁极磁场的不规则分布和外界杂散磁场的影响以及转动轴的偏心运动;同时M I的磁能互补,提高了编码的准确性;另外M I与磁体的间距较大,解决了碰撞问题,提高了控制精度.图4 采用共振式多谐振荡器的磁体位移传感器Fig.4 M I-effect mag net displacement sensor2.5 薄膜磁传感器日本NTT公司的Senda M等人[9]利用溅射磁性薄膜的高频磁阻抗效应,研制了一种薄膜高频磁阻抗传感器.磁性薄膜为多层结构Ni83Fe17/Cu/SiO2,用离子束溅射沉积在No.0211麻玻璃基片上.其中Cu为导体层,有两个电流电压电极;SiO2用于避免涡流损耗和介质击穿;NiFe层厚50nm,其4πM=1T,ρ=20μΨ·c m,λ=5×10-7,沉积时向膜外加数kA/m直流磁场产生单轴各向异性场Hk=240A/m～480A/m.用光刻将多层膜制成10μm宽的条形并设计成闭合磁路,这样构成的磁传感器,由于薄膜的GMI效应,外加数百A/m的磁场,通过800MHz～1000MHz交流电流,获得60%～70%的输出电压变化,并且没有磁滞和巴克豪森噪声.(下转第95页) 76 天 津 理 工 学 院 学 报 18卷平板,在确定其位移函数后,可进一步推演出其内力计算公式见(24),这里罗列如下: M x =-∑tm =0∑tn =0D x A m n1l 2Χ″m (x /l )Χn (y /b )+μb 2Χm (x /l )Χ″n (y /b ) M y =-∑tm =0∑t n =0D y A m n μl 2Χ″m (x /l )Χn (y /b )+1b 2Χm (x /l )Χ″n (y /b ) Q x =-∑tm =0∑t n =0D x A mn lμl 2Χ m (x /l )Χn (y /b )+1b2Χ′m (x /l )Χ″n (y /b ) Q y =-∑t m =0∑tn =0D y A mnb 1l 2Χ″m (x /l )Χ′n (y /b )+μb2Χm (x /l )Χn (y /b )(24)6 结 语通过以上分析计算,本文建议对于地基、箱形基础和上部结构相互作用的问题,用子结构法凝聚上部结构的刚度和荷载,采用有限分层地基模型,并计及基础自身刚度的影响,利用能量变分原理建立数学模型,从而对问题进行较为全面的分析,体现了三者协同工作的特性,修正了现行设计计算模型的不合理之处.同时,本方法与其它空间问题数值计算方法相比,还有显著节省计算工作量的优点.参 考 文 献:[1]王勖成,邵 敏.有限单元法基本原理和数值方法[M ].北京:清华大学出版社,1997.[2]钱伟长.变分法及有限元(上册)[M ].北京:科学出版社,1980.[3]陈位宫.力学变分原理[M ].上海:同济大学出版社,1989.[4]王龙甫.弹性理论[M ].北京:科学出版社,1984.[5]Selvadural A P S ;范文田译.土与基础相互作用的弹性分析[M ].北京:中国铁道出版社,1984.(上接第76页)3 结 论在退火FeCoSiB 非晶丝和其他材料中能发现显著的GMI 效应.使用GMI 元件制成的新型微型磁头和磁传感器,1mm 磁头可以达到8×10-4A /m 磁通检测灵敏度;使用200MHz ～300MH z 电流可以获得20MHz ～30MHz 的截止频率;传感器中的负反馈电路可以提高工作温度和温度稳定性;使用的自激振荡电路,功耗小于10mW .利用GM I 元件所制成的谐振荡电路可以制作成新型的GM I 效应磁传感器,这种传感器比其他磁效应传感器拥有更高的磁通检测率和灵敏度,在诸多领域内具有良好的发展前景.参 考 文 献:[1]M ohri K ,Kaw ashima K ,Ko hzaw a T ,et al .M agneto -inductive effect in amo rphous wires [J ].IEEE T rans M agn ,1992,28(5):3150-3152.[2]P anina L V ,M ohri K .M ag neto -Impedance effect inamorphous wiresAppl [J ].P hy s Lett ,1994,65(9):1189-1191.[3]K itohri T ,M ohri K ,U chiyama T .Asymmetrical M ag -neto -Impedance Effect in Twisted Amorphous Wires fo rSensitive M agne tic Sensors [J ].IEEE Trans M ag n ,1995,31(6):3137-3139.[4]Panina L V ,Mo hri K ,Bushida K ,et al .Giant M ag ne -to -I mpedance and M ag neto -Inductive Effects in Amor -phous alloy s [J ].J .Appl Phy s ,1994,76(10):6198-6203.[5]M ohri K ,Panina L V ,Uchiyama T ,et al .Sensitiveand quick response mag neto -impedance (M I )sensor us -ing amorphous wire [J ].I EEE T rans M agn ,1995,31(2):1266-1275.[6]Inada K ,M ohri K ,Inuzuka .Q uick Response LargeCurrent Seno r Using Amorphous M I Resonant M ultivi -brator [J ].IEEE T rans M ag n ,1994,30(6):4623-4625.[7]Takag i M ,K atoh M ,M ohri K ,et al .M agnet Displace -ment Sensor Using M I Elements fo r Ey elid M ovement Sensing [J ].I EEE T rans M agn ,1993,29(5):3340-3342.[8]M ohri K ,Kaw ashima ,Kohzawa K ,et al .M agneto -I n -ductive Effect in T ension -Annealed A mo rphous Wires and M I Sensors [J ].I EEE T rans M ag n ,1993,19(6):3168—3170.[9]Senda M ,Ishii O .T hin F ilm M agnetic Field Sensor U -tilizing M agneto Impedance [J ].IEEE T rans M ag n ,1994,30(6):4611-4613.95第4期 王曾嵘:用变分法分析地基-箱形基础-上部结构相互作用 。