巨磁阻传感器在涡流检测中的应用

　　在管道无损检测中,涡流检测是一种技术较完善的常用检测方法。传统的涡流检测传感器通常采用感应线圈来进行磁信号的检测。如今对管道的无损检测提出了越来越高的要求,为增强测量的灵敏度和空间分辨率,一些新的技术被应用于涡流检测,将涡流检测的激励单元和检测单元分开。如基于霍尔(Hall)效应和各向异性磁阻(anisotropic magne2to2resistance,AMR)效应的磁性传感器已被成功应用于无损检测[1]。近年来,随着纳米技术的出现,纳米级的薄层膜能够被实现,一种新的磁阻效应被发现。1988年,法国巴黎大学的物理学家费尔特(Fert)教授的科研组在由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)中发现了大的磁电阻效应。由于其产生的磁阻变化率远大于基于各项异性的磁阻效应,因此被称为巨磁阻(giant magneto2resistance, GMR)效应[2]。基于巨磁阻效应的巨磁阻传感器有着灵敏度基金项目:国家863计划资助项目(2001AA602021)高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小及价格低等优点。随着技术的发展,巨磁阻传感器必将成为传统磁性传感器的替代品。下面介绍其原理及在涡流检测中的应用。

　　1　巨磁阻传感器的原理

　　1.1　产生巨磁阻的基本原理

　　巨磁阻效应是由于金属多层膜中电子自旋相关散射造成的。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。下面是对巨磁阻效应定性的物理解释^[3] 。

　　在不加磁场(H=0)情况下的多层膜(Fe/Cr)N中,当非磁层厚度合适时,两个相邻铁磁层会产生反铁磁耦合,即一层中原子磁矩基本沿同一方向排列,而相邻层原子的磁矩反平行排列,如图1a所示。两种电子所受到的总电阻,是如图2a所示的并联电阻情况。R是自旋取向电子在受到相同方向磁矩散射时的电阻总和,R0是受到反方向磁矩散射时的电阻总和,两种电子的总电阻是它们的关联结果

　　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1b)。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2b所示,总电阻为

         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。

　　1.2　巨磁阻传感器原理

　　巨磁阻传感器芯片主要是利用具有巨磁阻效应的磁性纳米金属多层薄膜材料通过半导体集成工艺与集成电路相兼容的一类元器件。因此可以将传感器芯片的体积做得很小。巨磁阻传感器芯片将四个巨磁电阻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。通常工作时输入端接5~20 V的稳压电压,输出端在外磁场作用下即输出电压信号。