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磁致伸縮傳感器是眾所周知的一類傳感器，已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，并已在許多應(yīng)用中找到了商業(yè)用途；從工業(yè)應(yīng)用到日常用品，如筆記本電腦。這些傳感器通過(guò)薄膜利用磁阻效應(yīng)，無(wú)需物理接觸即可進(jìn)行測(cè)量。在本文中，我們將介紹這些傳感器，以及它們的應(yīng)用和磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)

磁阻傳感器基于磁阻效應(yīng)，也稱為磁阻。磁阻是材料在外加磁場(chǎng)下改變其電阻的能力。在磁致伸縮傳感器中，可以檢測(cè)到電阻率的這種變化，結(jié)果可以消除遠(yuǎn)程物體/環(huán)境的許多屬性。磁阻的概念是一個(gè)古老的概念，可以追溯到 1857 年，但直到 100 年后，它才在任何技術(shù)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。

有兩種主要類型的磁阻效應(yīng)，這取決于所采用的材料類型。第一種稱為各向異性磁阻 (AMR) 效應(yīng)，主要表現(xiàn)為稀土元素、過(guò)渡金屬和鐵磁薄膜的薄膜。第二種機(jī)制，稱為巨磁阻 (GMR) 效應(yīng)，常見(jiàn)于多層薄膜，其中非磁性層將兩個(gè)磁性層分開(kāi)。然而，由于大多數(shù)薄膜磁致伸縮傳感器都表現(xiàn)出 AMR 效應(yīng)，我們將專注于那個(gè)。

AMR 效應(yīng)具體發(fā)生在 3d 過(guò)渡金屬中，這些材料的電阻率變化可以在宏觀上看到。AMR效應(yīng)發(fā)生在過(guò)渡金屬薄膜中，因?yàn)?d電子亞殼層沒(méi)有被填充，這導(dǎo)致4s亞殼層中的電子在磁場(chǎng)下散射到3d原子軌道中。各向異性是由于電子軌道的不對(duì)稱性質(zhì)（由于自旋軌道耦合），這導(dǎo)致電子平行或垂直于磁化方向行進(jìn)。

薄膜磁致伸縮傳感器

薄膜磁致伸縮傳感器有時(shí)很難使用，因?yàn)樾枰�進(jìn)行一些信號(hào)處理才能將信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的輸出。然而，它們是一個(gè)非常有用的工具，因?yàn)樗鼈兛梢栽诓恍枰�物理接觸的情況下提供測(cè)量�？傮w而言，磁致伸縮傳感器是一種用于測(cè)量由于物體或其他事件干擾本地磁場(chǎng)而引起的任何遠(yuǎn)程干擾的工具。從屬性的角度來(lái)看，它們可以提供有關(guān)這些磁場(chǎng)內(nèi)的方向、存在、旋轉(zhuǎn)、角度或電流的信息，但它通常被視為電流，因此需要額外的處理和轉(zhuǎn)換。

薄膜和非薄膜磁致伸縮傳感器的主要區(qū)別在于承受磁阻的活性材料成分。盡管磁阻可能出現(xiàn)在一些塊狀材料和半導(dǎo)體中，但在薄膜中更常見(jiàn)。原因是這些傳感器中使用的薄膜具有大的飽和磁致伸縮、高飽和磁化強(qiáng)度、低的??各向異性能量和低矯頑力——這些都是這些傳感器的主要實(shí)際要求。

通常，惠斯通電橋（一種使用橋電路的兩條腿測(cè)量未知電阻的電路）通常用于操作磁致伸縮傳感器。曾經(jīng)使用所謂的亨特元件（以一個(gè)磁致伸縮傳感器的創(chuàng)造者命名），但惠斯通電橋具有零參考點(diǎn)，并且沒(méi)有任何溫度依賴性（與亨特元件不同）。傳感器內(nèi)的薄膜通常采用彎曲的幾何形狀實(shí)現(xiàn)，因此它會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁各向異性，并可以提供明確定義的靈敏度方向。如前所述，磁致伸縮傳感器需要相關(guān)的電輸出。這采用二次三角函數(shù)的形式，這限制了許多傳感器以 180° 的角度進(jìn)行監(jiān)控。

磁致伸縮傳感器的應(yīng)用

磁致伸縮傳感器的應(yīng)用在商業(yè)上很普遍。這些應(yīng)用包括：

質(zhì)量傳感器

羅盤應(yīng)用

壓力傳感器

用于蛋白質(zhì)測(cè)定的生物分子檢測(cè)中的磁性標(biāo)簽

微流體系統(tǒng)中的磁珠操作

高頻射頻器件

光纖光柵傳感器（以及其他類型的光纖傳感器）中的傳感器

氣缸位置傳感器

血液分析儀

用于高溫環(huán)境的傳感器（因?yàn)闇y(cè)量值不受溫度影響）

工業(yè)接近傳感器

流量傳感器

磁性編碼器

甚至在許多人可能不知道的日常物品中的一些應(yīng)用，例如在筆記本電腦的蓋子中、在交通信號(hào)燈中檢測(cè)燒壞、在殘疾人車輛升降機(jī)中、在電梯和叉車中作為位置傳感器。