巨磁阻抗效應（Giant Magneto Impedance effect，GMI effect ）指將磁性材料在交流電流的激勵下，其阻抗在外加磁場的作用下，呈現出快速響應，高靈敏度變化的現象。與巨磁電阻效應(Giant Magnetic Resistance effect，GMR effect)相比，GMI效應不僅是電阻發生改變，電抗也發生了改變，因而對磁場的靈敏度有顯著的提高，而且GMI效應還克服了GMR器件要在較高的磁場下才有GMR效應的不足。使這種效應在傳感器技術和磁記錄技術中有巨大的應用潛能[1]，現階段主要應用在微型傳感器探頭、電流傳感器、位移傳感器、汽車方向傳感器、生物磁傳感器等方面，表現出良好的性能。

磁傳感器是一種對磁感應強度、磁場強度和磁通量敏感，并能把這些磁學量轉換成電信息的傳感器，它是電子測量領域即發展高水平控制系統關鍵器件之一。目前常用的磁傳感器包括磁通門、霍爾元件、巨磁電阻元件傳感器等，但是磁通門傳感器體積大、功耗大，響應速度低；霍爾傳感器低場靈敏度低及靜態偏移大、分辨率低、溫度穩定性差；而巨磁電阻傳感器分辨率不高，通常是在外加強偏置磁場下使用。而GMI傳感器集高穩定性、高靈敏度、快速響應、低功耗、小型化等特性于一身，在磁傳感器領域中有著不可比擬的優勢。本文利用非晶絲材料的GMI效應設計一種體積小、靈敏度高、線性度好的新型傳感器，在磁場探測領域有著很好的應用前景。

1.GMI傳感器的基本原理與設計分析

GMI傳感器就是利用，磁敏感材料的阻抗在交流電流的激勵下，會隨著外界磁場的變化而敏感的變化。當周圍磁場發生改變時，磁場的改變致使磁敏元件阻抗的變化，阻抗的變化會使非晶絲兩端電壓的變化，因此，可用磁敏材料兩端電壓的變化來描述磁場的變化。一般定義這種阻抗值隨外界磁場的相對變化為：GMI的敏感度[2]，即：

 或

 （1）    

其中，Z（Ho）為外磁場為零時所測得的磁阻抗值；Z（Hmax）)為外磁場達到飽和時所測得的磁阻抗值；Z(H)為在任意外磁場下所測得的磁阻抗值，H代表使阻抗發生變化的外界磁場。

根據對探頭的不同激勵形式，GMI傳感器有環向驅動和縱向驅動兩種形式，由于縱向驅動方式的交流電并不直接通過樣品，可避免非晶材料的直接接觸以及材料本身的焦耳熱損耗，而且縱向驅動比環向驅動的敏感度大得多[3]，所以，本設計采用環向驅動方式傳感器。傳感器的整體設計結構如圖1所示。將敏感元件置于待測磁場中，在一定高頻信號的激勵下，元件阻抗值會隨磁場變化而敏感變化，致使兩端的電壓發生改變，經檢波、濾波與放大處理后輸出。偏置線圈和反饋線圈[4]，是用來調整阻抗變化率的線性區域，改善GMI特性及表征非晶絲的電壓變化。下面分別對各部分的設計進行分析。

 圖1 GMI電流傳感器結構圖

1.1 選擇敏感元件

對于GMI傳感器來說其核心部件是敏感元件，元件的性能直接影響了傳感的性能。設計選用Co基非晶絲作為敏感元件，Co基非晶絲作為具有巨磁阻抗效應的最典型元件，具有優良的軟磁性能，如高磁導率、低矯頑力、小的飽和磁滯伸縮系數、低損耗以及良好的高頻特性。此外還要根據實際需要來選擇。比如：靈敏度、工作頻率、尺寸、熱穩定性、成本等。元件由北京國浩傳感器技術研究所提供，其基本結構如圖2所示。其中1、2端口接非晶絲，3、4端口和5、6端口各接一個匝數相同反向纏繞在非晶絲上的線圈。芯片既可以縱向驅動又可以環向驅動，若高頻激勵從3、4端口輸入，5、6端口或者1、2端口作為輸出端，即為縱向驅動；若高頻激勵從1、2段輸入，即為環向驅動。

 

圖2 GMI元件結構圖

根據圖3所示非晶絲的特性曲線，在外磁場強度為  之間阻抗變化最為顯著且線性度較好。為使材料特征曲線整體右移，實現傳感器在正負磁場下均可線性輸出。在敏感元件5，6端口提供偏置，以產生一個約為-0.1mT 的偏置磁場，通過該磁場來抵消部分外磁場，以調整零點磁場位置。由頻率特性曲線可以看出非晶絲在10MHz的激勵頻率下GMI敏感度最大，可達220%，因此激勵信號頻率選擇為10MHz。

 

圖3 GMI非晶絲特性曲線

1.2.激勵電路

GMI效應產生的基礎就是要有一個高頻信號對材料進行激勵，所以敏感元件對外磁場感知的靈敏度、穩定性和這個信號有很大的關系。該部分電路可以通過芯片或者分離元件構成振蕩器來實現。目前國內外相關學者研究的巨磁阻抗傳感器中振蕩電路常用的一般有科爾皮茲和COMS IC互補型MOS集成電路等。

本設計中采用一種電路更簡單，頻率的穩定性更優良的振蕩電路——石英晶體振蕩器。由于石英晶體的物理和化學性能都十分穩定，因此振蕩頻率十分穩定。而且它具有正、反壓電效應，在諧振頻率附近晶體的Q值可達數百萬量級。電路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯諧振頻率fs ，而與電路中電阻、電容的數值無關。本設計中采用晶振和反向器74HC04D構成晶體振蕩電路，產生的是高頻方波信號。輸出信號的頻率等于晶振的并聯諧振頻率，R1為 電阻一般取大于1M歐姆，R2作為驅動電位調整之用。C1、C2為負載電容，實際是三點式電路的分壓電容，接地點是分壓電。為避免非晶絲敏感器件有較大的熱損耗，在設計中先將晶體振蕩器輸出進行微分處理，變化成高頻脈沖信號作為MI的激勵，如圖4所示。微分電路中的參數Cs、R的選擇要滿足時間常數RCs<<1，而且R的選擇也不能過小，以免輸出的信號的幅值較小而引起帶負載能力的減弱，這里將Cs、Rs分別選擇1pF、1k 。輸出的脈沖電流通過非門Q 濾去負脈沖,得到與方波同頻率的正脈沖電流。

  圖4 激勵信號源

1.3.信號處理電路

GMI傳感器的信號處理電路包括檢波、濾波和放大三部分。檢波電路的作用就是通過對調幅信號的解調，提取出可表征外磁場的低頻信號。根據GMI敏感元件感應原理的分析，可知從敏感元件輸出的是載波為10MHz的調幅信號，在載波上被調制的低頻信號，其幅度反應了外磁場的強弱，頻率反應了外磁場的變化規律。因此，這里我們選擇包絡檢波電路，如圖5所示。通過調節RC的大小來減小惰性失真和控制濾波電路的截止頻率，以適應不同測量環境的要求。

 圖5 包絡檢波電路

    經過前面的檢波電路之后，加到后續電路上的就是以低頻或直流分量為主的信號，它的波動反應了所測外磁場的變化。但是在其中仍然混雜一些高頻噪聲信號，這與前級電路有關，由于檢波電路時間常數受限，導致一些高頻成分不能完全被衰減掉，同時也存在一些外磁場干擾,都使得信號中夾雜著一些高頻成分。所以在放大電路之前需要對檢波信號進行平滑濾波。RC無源濾波器具有不需要電源、噪聲低、動態范圍寬、所需器件少、符合微型化，而且能夠滿足設計中所要求的頻率特性，其截止頻率 的選擇要滿足外磁場的動態測量頻率范圍，同時又遠小于激勵信號的頻率,以有效濾除載波及高頻干擾信號。

    經包絡檢波和濾波處理后的信號具有了良好的頻率特性，但是信號衰減較大，帶負載能力較差，需要對信號進行放大處理。這里采樣差分放大電路，運用AD620進行放大運算。 AD620具有低漂移、高增益、高共模抑制比的特點，只需調節外接電阻 即可改變放大增益,精度高且使用方便�？梢愿鶕�公式（2）選擇跨接的電阻 ，達到所需放大倍數。

                    （2）

2．測量結果與分析

2.1 GMI傳感器在均勻外磁場的幅度特性

傳感器共有四條抽頭接口，其中紅線接Vcc直流+5V，綠線接Vee直流-5V，黑線為GND地線，白色為信號輸出。根據圖6所示連接測量電路，GMI傳感器置于載流螺線管內，線圈中磁場的大小可由公式（３）求得，當探頭置于線圈軸線中心，  ，L為線圈長度8.2cm， 為半徑1.9cm，n為單位長度匝數為62/L。通過改變螺線管電流的大小，即可改變線圈中磁場的大小。

　　　　　　　   （3）            

 

圖6 GMI傳感器測試電路

對于Rl分別取1.2kΩ、19.2kΩ、37.2kΩ、55.2kΩ、73.2kΩ、91.2kΩ，可根據公式（3）算得線圈中不同阻值對應的磁場強度。通過示波器讀出探頭輸出端的電壓值，特征曲線如圖7所示。對應外磁場磁感應強度為 之間有較好的線性度。

 圖7 恒定磁場測試結果

2.2 GMI傳感器在交變磁場中的頻率響應

    將測試電路中的直流電源換成ZN1061A標準信號發生器，輸出Vp_p為1V的高頻正弦信號，加到線圈上產生交變磁場。測試過程中，由于采用交變電流，使得線圈的阻抗值也隨著頻率的變化而變化，為了在改變頻率的同時，保持線圈中平均電流強度不變，與線圈串聯一個電位器，每次調整頻率后通過改變電位器的阻值，使得電路中平均電流強度不變，即線圈中平均磁感應強度不變，控制了一個變量恒定，再考察其對外磁場交變頻率的響應能力。選取從0到200kHz每隔12.5Hz為一個測試頻點，在每個頻點上，調整Rl使得電路中的平均電流強度保持1.57mA，根據公式（3）磁場強度為，觀察探頭的輸出值。根據測試數據得到圖8所示的響應結果。

圖8 GMI探頭在線圈交變磁場中的頻率響應

有響應結果可以看出，在外磁場交變頻率為120kHz時傳感器還可正常工作，由于引入了電位器以抵消頻率帶來的總阻抗變化，使得測試難度增大，精度下降，也使的在小于120kHz的區域輸出曲線出現波動，同時由于信號發生器的限制，在較低頻率部分輸出不穩定，也在一定程度上影響了測試結果。當交變頻率大于120kHz探頭已不在線性區工作，這主要與低通濾波器的截止頻率有關。

為進一步研究GMI傳感器在線檢測能力，將線圈改為導線，導線的阻抗隨電流頻率的變化可忽略，故不再需要電位器來維持平均電流。雖然導線產生的交變磁場的磁感應強度不好估算，但本測試中關心的只是傳感器對頻率的響應，對具體值得大小不關心。由圖9所示響應結果，可以看出在頻率低于120kHz時輸出穩定，電壓值受到外磁場頻率影響較小。

 

圖9 GMI探頭在導線交變磁場中的頻率響應

3.總結

用非晶絲作為敏感材料設計GMI傳感器，通過測試表明GMI傳感器響應速度快，恒定磁場中線性度好；交變磁場中，在其頻率范圍內，電壓輸出波動較��；能夠對通電導線電流實現高敏感度、非接觸探測。由于選用非晶絲工作頻率較低，只能測量到120KHz的磁場，這與主要低通濾波器截止頻率有關，如何保證外磁場的動態頻率測量范圍，同時又濾除載波及高頻干擾信號，是下一步要研究的內容。應用非晶絲的巨磁阻抗特性實現對微外磁場的檢測的傳感器，具有尺寸小、低功耗、表面貼裝、非接觸、低偏差、高靈敏度、大動態響應、精度高、輸出線性度高等優點，可以測量微弱電流，應用于電子設備在線非接觸檢測，在線故障報警等方面。通過與好電路電流、電壓、電阻進行對照，通過比較好、壞電路的某種特征值，從兩者的差異發現故障。