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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。這些傳感器通過薄膜利用磁阻效應(yīng)，無需物理接觸即可進(jìn)行測量。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下改變其電阻的能力。在磁致伸縮傳感器中，可以檢測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)，常見于多層薄膜，其中非磁性層將兩個(gè)磁性層分開。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)生在過渡金屬薄膜中，因?yàn)?d電子亞殼層沒有被填充，這導(dǎo)致4s亞殼層中的電子在磁場下散射到3d原子軌道中。各向異性是由于電子軌道的不對稱性質(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)行一些信號處理才能將信號轉(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量�？傮w而言，磁致伸縮傳感器是一種用于測量由于物體或其他事件干擾本地磁場而引起的任何遠(yuǎn)程干擾的工具。從屬性的角度來看，它們可以提供有關(guān)這些磁場內(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。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)測定的生物分子檢測中的磁性標(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、在交通信號燈中檢測燒壞、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。