GMR磁场传感器的工作原理
地磁传感器原理
地磁传感器原理
地磁传感器是一种能够感知地球磁场变化的传感器，它在许多
现代科技产品中发挥着重要作用。
地磁传感器的原理是基于地球磁
场的存在以及磁场对传感器内部元件的影响。
本文将介绍地磁传感
器的原理及其应用。
首先，地球磁场是地球周围的一种磁场，它是由地球内部的磁
性物质产生的。
这个磁场在地球表面上并不是均匀的，而是存在着
一定的地理差异。
地磁传感器利用这种地理差异来感知磁场的变化。
地磁传感器的核心部件是磁敏电阻（GMR）或霍尔元件。
当地磁
传感器暴露在地球磁场中时，磁场会对磁敏电阻或霍尔元件产生影响，导致其电阻或电压发生变化。
通过测量这种变化，地磁传感器
就能够感知地球磁场的变化情况。
在实际应用中，地磁传感器常常被用于导航、定位和姿态控制
等领域。
例如，在智能手机中，地磁传感器可以用来实现电子指南
针功能，帮助用户确定方向。
在车载导航系统中，地磁传感器可以
用来帮助车辆进行定位和导航。
在飞行器和航天器中，地磁传感器
可以用来感知姿态的变化，从而实现精确的控制。
除了以上应用之外，地磁传感器还可以被用于地质勘探、地震预警和磁测勘察等领域。
地磁传感器的原理简单而又实用，使得它在许多领域都有着重要的应用价值。
总之，地磁传感器是一种能够感知地球磁场变化的传感器，它的原理是基于地球磁场对传感器内部元件的影响。
地磁传感器在导航、定位、姿态控制等领域有着广泛的应用，同时也可以被用于地质勘探、地震预警和磁测勘察等领域。
地磁传感器的原理简单而实用，使得它在现代科技产品中发挥着重要作用。
GMR生物传感器的原理及研究
GMR生物传感器的原理及研究
1 引言
1988 年，在法国巴黎大学物理系Fert 教授科研组工作的巴西学者
M.N.Baibich 研究Fe/Cr 磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发现了巨磁阻(GMR) 效应，即材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。
这一发现引起了许多国家科学家的关注，巨磁电阻效应及其材料的基础研究
和应用研究迅速成为人们关注的热点自此以后，10 多年来，巨磁电阻效应的研究发展非常迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快
速转化为商业应用的国际典范目前，GMR 材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。
利用GMR 材料制作的传感器称作巨磁阻传感器，它具有灵敏度高、探测范
围宽、抗恶劣环境等优点，可利用半导体曝光和刻蚀工艺，使该元件集成化、
小型化，其性价比远远优于其他几种磁场传感器本文综述一种将GMR 传感器
和生物技术相结合的新型传感器GMR 生物传感器该传感器应用于生物检测领域，是一种对磁标记的生物样本进行检测的传感器，由免疫磁性微球(IMB)、
高磁灵敏度的GMR 传感器以及相关读出电路三部分构成。
2 免疫磁性微球
1979 年，John Ugelstad 等人成功地制备了一种均匀性和粒度适宜的聚苯乙烯微球，将其磁化并与抗体连接后，即成为一种分离细胞效果极佳的免疫磁标记dynabeads 从此，免疫磁标记得到广泛应用，并引发了生物分离技术上的一次
革命免疫磁标记的特点主要有分离速度快、效率高、可重复性好、操作简单、
不需要昂贵的仪器设备、不影响被分离细胞或其他生物材料的生物学性状和功能。
【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。
GMRTMR原理新
GMR与TMR的基本结构图 与 的基本结构图
两者皆为三层构造，有两层磁性层， 两者皆为三层构造，有两层磁性层，而在这两层磁性层 间则存在着一层厚度为纳米级的非磁性中间层(spacer)，其中 间则存在着一层厚度为纳米级的非磁性中间层 ， GMR的非磁性层是由铜等金属所构成，而TMR部分则采用 的非磁性层是由铜等金属所构成， 的非磁性层是由铜等金属所构成 部分则采用 Al2O3等绝缘体。前者界面处的传导电子会呈现漫游现象，由 等绝缘体。前者界面处的传导电子会呈现漫游现象， 于传输电子之极化特性，一般说来， 于传输电子之极化特性，一般说来，当上下两层磁性层的磁化 现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。 现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。而后者因为会引 起自旋级化电子的穿隧率改变，因此类似地， 起自旋级化电子的穿隧率改变，因此类似地，当上下两层磁性 层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。 层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。
）
Julliere公式
• 隧穿电流的大小 • 问题：I ↑↑ > I ↑↓ ？ 这就是 问题： 这就是TMR效应 效应 • 如果 D × D + d × d ⋅ ≥ ⋅D × d + D × d ⋅ = 2 D × d • 就有 • 当然
D × D + d × d − 2 D × d ⋅ ≥ ⋅0
2
60
TMR ( % )
40
20
0
80
( b ) T = 4.2 K MR = 69.1 % 2 RS = 4481 Ωµm
60
TMR ( % )
40
20
0 -4000
-2000
0
2000
4000
GMR巨磁电阻传感器 (模拟输出)使用说明 Ver2
低阻态
图 3 示意图
高阻态
图 4 两种取向电子在多层膜中不同散射对磁电阻的影响 当加入外磁场 H 后,与外磁场反向的磁矩将趋向外磁场方向,当外场达到一定值时,所有铁磁 层中的磁矩方向变得基本一致（图 3b）。则自旋方向与磁矩方向相同的电子受到的电阻很小
(为 2R0 ) , 反之电阻很大(为 2R) ,并联结果如图 4b 所示,总电阻为 R 总=2 R R0 /(R+R0) 此时的总电阻比上述 H=0 时的要小得多,于是在外磁场下,产生了巨磁阻效应。
低灵敏、宽测量系列
型号 VA110F2、 VA110F3、VA110F4
半桥、正电压输出系 列 型号 VA110H2、 VA110H3
单极输出系列 型号 SA02
高灵敏度系列 型号 VA100F2 VA100F3
参数
电阻（Ω） 灵敏度（mV/V·mT） 饱和场（mT） SOP8
5500
35
2.8
√
技术背景（1 巨磁阻效应 2 多层膜 3 自旋阀） 1 巨磁阻效应
磁电阻效应是指物质（铁磁金属和合金多晶体）在磁场作用下电阻发生变化 的现象，磁电阻率定义为：△R/R0=(RH-R0)/R0，其中 R0 表示零磁场下的材料电 阻值，RH 为磁场下材料的电阻值。
1988 年，法国巴黎大学的物理学家费尔特( Fert) 教授研究小组发现：由 Fe (铁磁材料) 和 Cr (非铁磁材料) 交替沉积而成的多层膜( Fe/ Cr) N ( N 为周期数)的磁电阻效应比坡莫合 金的 AMR 效应高出一个数量级，因此被称为巨磁阻( giant magneto resistance , GMR) 效应。
1 7.962 x 10-1 7.962 x 10-1 7.962 x 10-2 104
磁场传感器原理及应用
磁场传感器原理及应用磁场传感器是一种能够感知周围磁场变化的设备，它通过测量磁场的强度和方向来获取有关周围环境的信息。
磁场传感器广泛应用于工业控制、导航系统、运动控制、安全系统等领域。
磁场传感器的原理是基于一种叫做磁阻效应的物理现象，它可以用来测量磁场的强度和方向。
磁阻效应是指在磁场中，材料的电阻会发生变化。
根据这一效应，设计师可以将磁阻器件与其他电路组合，构成磁场传感器。
磁场传感器有多种工作原理，其中包括霍尔效应、磁阻效应、磁电效应、法拉第效应等。
其中霍尔效应是使用最为广泛的原理之一。
霍尔效应是指当电流通过一条导线时，如果有磁场垂直于导线方向，那么就会在导线两侧产生电势差。
这种电势差可以用来测量磁场的强度和方向。
磁场传感器常见的类型有霍尔传感器、磁阻传感器和磁电传感器等。
霍尔传感器是最常见的一种磁场传感器，它具有高灵敏度、快速响应和低功耗的特点，广泛应用于汽车、电机控制和磁带驱动等领域。
磁阻传感器则主要用于测量磁场的方向和强度，常见于罗盘和导航系统中。
磁电传感器则是一种能够通过磁场作用产生电压或电流的传感器，广泛应用于电磁设备的测量和控制中。
磁场传感器的应用范围非常广泛。
在工业控制方面，磁场传感器可以用来检测电动机的位置和速度，实现精准控制。
在导航系统中，磁场传感器可以用来测量地理位置，实现车辆导航和航空导航。
在安全系统中，磁场传感器可以用来检测和报警，应用于入侵报警和车辆防盗系统。
此外，磁场传感器还可以应用于医疗设备、电子游戏、机器人和智能家居等领域。
总的来说，磁场传感器是一种通过测量磁场的强度和方向来获取周围环境信息的设备。
它的工作原理可以是霍尔效应、磁阻效应、磁电效应等多种物理原理。
磁场传感器的应用非常广泛，涵盖了工业控制、导航系统、安全系统等许多领域。
随着技术的不断发展，磁场传感器的性能将进一步提升，应用领域也将不断扩大。
巨磁电阻效应及其传感器的原理
巨磁阻效应及其传感器的原理和应用一、概述对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。
所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r 描述。
研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。
所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。
利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。
1、分类GMR材料按其结构可分为具有层间偶合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀多层膜（例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如AMnO3）等结构；其中自旋阀（spinvalve）多层膜又分为简单型和对称型两类；也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类的。
2、巨磁电阻材料的进展1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间偶合现象。
1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δr/r在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反响。
由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间偶合多层膜。
自1988年发现GMR效应后仅3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜（如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n）。
1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的材料（例如Co和Fe20Ni80）制成Co/Cu/Fe20Ni80/Cu多层膜，他们发现，当Cu层厚度大于5nm时，层间偶合较弱，此时利用磁场的强弱可改变磁矩的方向，以自旋取向的不同来控制膜电阻的大小，从而获得GMR效应，故称为自旋阀。
磁场传感器 原理
磁场传感器原理
磁场传感器是一种能够测量、检测和监测周围环境中磁场强度和方向的设备。
其工作原理基于法拉第电磁感应定律，即当磁场的磁感线穿过导体回路时，会引起导体中电荷的运动，从而在回路中产生感应电动势。
磁场传感器利用感应电动势来测量磁场的强度和方向。
在磁场传感器中，一般会采用磁敏材料作为感应元件。
磁敏材料通常具有磁导率较高的特性，可以增强感应效果。
当磁场的磁感线穿过磁敏材料时，磁敏材料中的电子会受到磁场力的影响而移动，从而产生感应电动势。
为了测量感应电动势，磁场传感器会使用一对金属电极将感应电动势引出，并连接到一个电路中，如电压放大器或模数转换器。
当磁场的强度发生变化时，感应电动势的大小也会相应变化，从而可以通过电路测量到磁场的强度。
此外，为了确定磁场的方向，磁场传感器还可以采用多个感应元件的组合。
通过比较不同感应元件的感应电动势大小或相位差，可以确定磁场的方向信息。
综上所述，磁场传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定律，利用磁敏材料感应电动势来测量、检测和监测周围环境中磁场的强度和方向。
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GMR磁场传感器的工作原理
巨磁电阻（GMR）效应是1988年发现的一种磁致电阻效应，由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，因此名为巨磁电阻(Giant Magnetoresistanc)，简称GMR。
1. 巨磁电阻（GMR）原理，见图一。
巨磁电阻（GMR）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。
这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。
赋以特殊的结构设计这种效应还可以调整以适应各种不同的性能需要。
2. 巨磁电阻（GMR）传感器原理，见图二。
巨磁电阻（GMR）传感器将四个巨磁电阻（GMR）构成惠斯登电桥结构，该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器灵敏度。
工作时图中“电流输入端”接5V~20V的稳压电压，“输出端”在外磁场作用下即输出电压信号。
3. 巨磁电阻（GMR）传感器性能，见图三，表一。
图三所示为巨磁电阻（GMR）传感器在外场中的性能曲线，表明该传感器在±200Oe的磁场范围类有较好的线性。
表一所示为国际上各公司生产的巨磁电阻（GMR）传感器的性能对照，表中标注有（库万军）处为本公司产品。
对比表明本公司的产品无论灵敏度或线性范围都有较大的优越性，而且本公司产品性能仍在不停的丰富和完善过程中。
更为重要的是，本公司产品采用特殊的结构，适宜于采用半导体集成化规模生产，因此生产成本低。
图3巨磁电阻（GMR）传感器在外场下的性能曲线表一各公司巨磁电阻（GMR）传感器性能对照
灵敏度（mV/V*Oe）线性范围
（Oe）
结构及材料偏磁技术
IBM 0.8 ±25 SPIN-VALVE 设置电流NVE 0.45 ±135 Co/Cu多层膜外置偏磁铁
Honeywell 1 ±6 NiFe film
(AMR)
EPFL-CH 0.024 ±150 聚磁通霍尔元件
INESC 0.6 ±30 SPIN-VALVE 设置电流
INESC （库万军）0.21 ±135 NiFe/CoFe/Cu
多层膜
CoFe/CoPt
双层膜
INESC （库万军）0.17 ±200 NiFe/CoFe/Cu
多层膜
CoPt膜
（两矫顽力）
INESC
（库万军）
1.3 ±20 SPIN-VALVE 两次沉积
INESC
（库万军）
探测磁场X-Y分量的集成元件
INESC
（库万军）
数字、脉冲型
3. 产品使用说明
a.巨磁电阻（GMR）传感器作为一种有源器件，其工作必须提供5~20V的直流电源。
而且该
电源的稳定性直接影响传感器的测试精度，因此要求以稳压电源提供；使用中也应避免过电压供电；
b.巨磁电阻（GMR）传感器作为一种高精度的磁敏传感器，对使用磁环境也有一定的要求，
其型号选用应根据使用环境的磁场大小来决定；
c.巨磁电阻（GMR）传感器对磁场的灵敏度与方向有关。
其外形结构上标注的敏感轴为传感
器对磁场最为灵敏的方向，参见图四。
当不平行时，灵敏度降低，其关系为
Sθ=S0COSθ
其中Sθ为磁场方向与传感器敏感轴间的夹角为θ时的灵敏度，S0为磁场方向与传感器敏感轴平行时的灵敏度。
图4 巨磁电阻（GMR）传感器外形结构及接线图
d.对于输出特性相对于外磁场为偶函数时，则将传感器作为测量使用时需要外加偏置磁场。
理想情况偏置磁
场的大小为传感器保持线性范围磁场的1/2。