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GMI效应

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  • 发布时间:2018/1/19 16:37:21
  • 作者:hb_yinhe
定义
巨磁阻抗(giantmagneto-impedance,GMI)效应,即当对软磁非晶丝通以交流电流时,细丝两端感生的交流电压随着丝纵向所加的一个很小的外磁场的变化而灵敏变化。在高频下,趋肤效应发生作用,这时阻抗中的电阻分量和电感分量同时受到外磁场影响,而称为巨磁阻抗效应。
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GMI效应简介

  巨磁阻抗效应指的磁性材料的交流阻抗随外磁场的变化而显著变化的现象。按照巨磁阻抗效应的定义,巨磁阻抗效应应该用磁性材料的阻抗Z随外磁场Hex的变化曲线Z-Hex来表征。但是由于不同的磁性材料的电阻率相差很大,即使是同种磁性材料制备的样品的厚度和测量长度也无法严格控制,所以通过样品的Z-Hex曲线无法比较不同样品的巨磁阻抗效应的强弱。因此在研究中采用阻抗的相对变化值随外加磁场的变化曲线ΔZ/Z-Hex来表征巨磁阻抗效应。

  目前,对巨磁阻抗效应的定标有两种:一种是采用外加磁场为零时的阻抗(Hex = 0)作为参考点,但是因为材料的剩磁状态影响阻抗Z(0)的值,所以这个定义可能不合适;另一种以最大磁场Hmax的阻抗值作为参考点,Hmax的值由实验设备确定,因此Hmax也可能受实验设备的限制。第二种定义:

a

  上式中,Hmax通常是达到饱和阻抗时的外磁场或实验设备所能提供的最大磁场。

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GMI效应研究历史

  早在六十年前,Harrison等人就已经发现在外加轴向磁场的作用下,铁磁性细丝的感抗会发生变化,当时把这种物理现象称为磁感应效应。1992年,日本名古屋大学K. Mohri等人发现CoFeSiB非晶丝的两端的感应电压随着外加直流磁场的增加而急剧下降,当时他们测量到的电压是非晶丝感抗部分对应的分量,因此实际上这种现象是磁电感效应。往后的研究表明,铁磁非晶合金的交流电阻也会随外加直流磁场发生明显的变化,为与通常所说的磁阻(MR)效应区分,该效应被称为交流磁阻效应。1994年巴西的Machado等人在Co70.4Fe4.6Si15B1非晶铁磁薄带中观察到了这种交流磁阻效应。K. Mohri等人在综合考虑了磁电感效应和交流磁阻效应后,认为两者是同一物理效应的不同方面,并把磁性材料通以交变电流时,在外磁场作用下交流阻抗会发生显著变化的现象正式命名为巨磁阻抗(GMI)效应。

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GMI效应的应用

01电流测量

  电流测量在生产科研领域是一个重要问题,现在有很多的新技术和新材料都应用到电流测量的装置上。最常用的电流传感器有霍尔(Hall)元件电流传感器、磁通门传感器,振动或转动线圈等,但这些传感器都有一定缺陷。霍尔元件输出信号变化小,测量电流时还有一定的磁场方向各向异性,适用于中强磁场测量;磁通门和检测线圈测磁场,对线圈绕制特别精确,信号处理要求较高,上述传感器的电路太过复杂,本较高。

  目前非晶材料制作工艺的成熟,使得性能稳定、高灵敏度、响应速度快、非接触、低成本的磁敏传感器设计成为可能。用这种材料制出的样品具有很多特点如微型化、磁阻抗效应大、灵敏度高、高速响应、温度稳定性、低功耗且几乎没有磁滞现象、对温度的变化具有相对稳定性、饱和磁致伸缩系数几乎为零等。该材料制成的传感器[6-11]使用交流驱动,可以实现调制、解调、滤波、振荡和共振等多种功能。基于GMI效应的GMI磁传感器由低磁致伸缩材料和CMOS集成电路构成,利用磁性材料的巨磁阻抗效应工作的。该传感器很好地弥补了传统磁敏传感器存在的不足,这也使得GMI传感器成为国内外广泛研究的焦点。GMI磁传感器不但继承了传统磁传感器的优点,而且由于它能探测微弱磁场,具有高稳定性、高灵敏度、高分辨率、响应速度快及低功耗等特点。

02速度检测

  巨磁阻速度传感器在汽车领域可以用于ABS、变速箱、凸轮和曲轴等速度及位置检测。

  GMI传感器与传统的磁电式传感器相比,具有灵敏度高、响应快、无磁滞、非接触、热稳定性好、体积小等优点,因此它在高灵敏度微型磁传感器领域中有着十分诱人的应用前景。


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