磁性应用技术讲座Ⅴ磁传感器
2004-06-02 10:47:19
来源：国际电子变压器2004年6月刊
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磁性应用技术讲座Ⅴ磁传感器
随着高频信息化社会的发展，计算机、信息通信设备、医疗器械和机电一体化设备中，小型和轻量化、智能化发展非常迅速。在设备信息输入部分、信息记录部分、电源部分、控制部分，众多的磁性器件起着主要作用，其中引人注目的磁性器件之一就是磁传感器。
磁传感器是将由磁场、应力、应变、温度、光等引起的磁特性变化，转换成电信号进行检测的装置。有以下一些优点：检测信号时对被检测物几乎没有影响；在污染或噪声多的环境中也能非常可靠地工作；牢固、寿命长等。磁传感器通常组装在上述电子设备中使用，要求即使是微小空间中的物理量变化也必须高灵敏度地快速反应，因此，非常希望体积小，重量轻，速度快，灵敏度高。
磁传感器包括：探测线圈、霍尔元件、磁电阻效应器件、磁通门磁强计、SQUID磁强计等，得到广泛应用，检测灵敏度迅速提高。此外，还有用铁氧体立体磁心的应力检测、用热敏铁氧体的温度检测、用光磁效应的电流检测等。
近年来把磁性薄膜的微细加工，制成体积小的平面型新的微型磁传感器，以磁场应力与应变检测为中心，广泛开发研究。本次讲座介绍磁性薄膜微型磁场传感器和应力与应变传感器。
1微型磁场传感器
磁场传感器的检测对象，磁场强度分布范围很广：从生物体产生的极弱磁场（≈10-7A/m）到磁共振成像仪MRI中的强磁场（≈107A/m）。如图5.1所示，磁场频率从地磁场的直流到磁带录像机VTR或硬盘中数十MHz的高频。其空间分辨率，在磁记录等领域中希望达到亚微米量级。
微型磁场传感器传感元件小，可检测微小范围的磁场；元件本身自共振频率高，可检测高频磁场；用微细加工技术制作，传感元件容易排成阵列，可检测多维磁场信息。因此作为新一代磁场传感器颇引人注意。下面介绍近年来在微型化、平面化取得显著进展的磁通门磁强计、磁电阻效应磁场传感器和高频载波型磁场传感器。
（1）磁通门磁强计
磁通门磁强计利用钼坡莫合金（81%Ni-余Fe-6%Mo）等具有陡峭的过饱和特性的倍频磁调制法；从直流到数kHz频段内具有10-5A/m的分辨率，是最常用的磁场传感器。
磁通门磁强计构成方法有多种，基本工作原理如图5.2所示。软磁磁心的B～H特性如图5.2(b)所示，磁心上绕两个线圈（见图5.2(a)）：一个是通交流励磁电流Iexc的励磁线圈；另一个是检测感应电压Vind的检测线圈。图5.2(c-1)表示，励磁线圈中通以振幅大的频率为f的三角波电流，产生磁场H(f)，使磁心周期性地磁化饱和。磁心内磁通密度变化如图5.2(c-2)，检测线圈中感应周期为1/f的脉冲电压（见图5.2(c-3)）。如果外部加上磁场Hex，图5.2(c-1)(c-2)(c-3)中波形产生如图中虚线所示的相移，检测线圈中出现振幅为下式表达的二次谐波V2：
(5.1)
式中，N：检测线圈匝数，A：磁心截面积，μeff：磁心有效磁导率，Hm：励磁磁场最大值，Hs：磁心磁化饱和磁场。测出二次谐波就可检测磁场Hex。
实际的磁通门磁强计中，使用棒状和环状磁心，而且使用2个磁心，励磁方向相反，从而抵消感应电动势中所含的奇次谐波。
以前的磁通门磁强计磁心尺寸为数cm，比较大；还要几个线圈，因此难以小型化。但是，由(5.1)式可知，提高励磁频率会增加灵敏度。于是，最近有人提出采用磁性薄膜作磁心，用微细加工技术制成体积小的平面型高频励磁的微型磁通门磁强计。例如，传感元件尺寸为厚4μm、宽4.9mm、长1mm；磁心采用微细加工成长方形的Fe-Ni-In薄膜；励磁和检测线圈是将Al膜微细加工成在磁心上立体绕线结构；线圈和磁心间的绝缘层采用聚酰亚胺。在3MHz励磁频率下，传感器的磁场检测灵敏度为3.5mV/(A/m)，分辨率为3.2×10-2A/m。此外，还有采用Fe-Hf-O或Co-Ta-Hf薄膜作磁心的传感器，在10MHz励磁频率下，检测灵敏度为3μV/(A/m)。
这样，微型磁通门磁强计灵敏度比以前立体磁心小2～3个数量级，今后要进一步提高频率、对磁心材料和传感器结构进行研究。
（2）磁电阻效应型磁场传感器
磁电阻效应（MR）型磁场传感器是利用铁磁性体电阻随磁化而变化的传感器。灵敏度比较低，约大于地磁场，但元件尺寸小，为μm～mm量级，空间分辨率高，响应特性快，价格低。因此用于磁编码器和磁记录读出磁心等。
铁磁性体磁电阻效应中，电阻有两种变化：一是电阻随外磁场引起的磁化强度变化；二是电阻随磁化方向和电流方向夹角的各向异性变化。磁电阻效应型磁场传感器利用后一种效应。
在具有单轴各向异性场HA的磁性薄膜的易磁化轴方向，通以电流I，在难磁化轴方向加上外磁场Hex，磁性薄膜中产生的电压变化为：
(5.2)
式中，△R：是电阻R与电流和磁化方向平行时的电阻R1之差，即△R=R-R1。(5.2)式表示：电压变化△V与外场Hex的极性无关；要增大灵敏度，必须增大△R。
通常取△R与电阻最小值R0之比△R/R0（称为MR比）来表示它的大小。含Ni量约80%的NiCo和NiFe合金中，△R/R0=2～3%。加大到外磁场在难磁化轴方向磁化饱和时，△R/R0=4～6%。一般铁磁性金属或合金中，R0=R1。
增大检测灵敏度，也可考虑增大电流I。实际传感器中，由于受发热和功耗限制，必须制成高阻抗型元件结构，将铁磁性体加工成梳形。另外，为了使传感器输出与外磁场Hex成正比，沿元件宽度方向加偏磁场使磁化方向与易磁化方向成45°角，让△R/R0处于近似成正比的区域。
近年发现，由厚度为几个原子层（几nm）的Fe层和Cr层构成的人工晶格多层膜中，在4.2K加1.6×107A/m外磁场时，电阻减小约46%。电阻下降这样巨大，被称作巨磁电阻效应（GMR）。1991年发现室温下Co/Cr人工晶格膜电阻变化达到65%。GMR效应是由铁磁性金属和非磁性金属界面上传导电子选择性散射引起的。传导电子的自旋，不是与铁磁性层的磁化矢量平行就是反向平行，传导电子从非磁性金属层进入磁性金属层时，与磁化矢量同方向的自旋电子几乎不散射，呈低电阻状态；与磁化矢量方向相反的自旋电子散射强烈，呈高电阻状态。开始，GMR效应需要的磁场非常大，没被看作有实用价值的元件。后来发现，选用NiFe合金等软磁性层作铁磁性层，用无交换作用顺磁性金属Cu、Au、Ag等作非磁性层，软磁性层用比较小的磁场就可以将磁化矢量从反向平行状态反转到平行状态。于是纷纷研究将GMR元件用于磁记录读出磁头。特别是称为自旋阀的GMR元件已达到实际使用水平。图5.3是自旋阀GMR元件结构示意图。钉扎层和自由层的两层软磁性层夹着一层Cu等导体层。钉扎层为普通NiFe层，与FeMn等反铁磁性层相接。钉扎层磁化矢量通过与反铁磁性层的交换耦合固定在元件宽度方向。自由层主要由NiFe构成，其易磁化轴因成膜时的磁场处理等原因，取向为与钉扎层磁化矢量垂直方向。设外磁场为Hex，自由层的各向异性磁场为HA，相邻的铁磁性层磁化矢量反向平行和平行时电阻差为△R，则输出电压变化△V为
(5.3)
△V和Hex的比例关系，不用垂直偏压也能得到。这是自旋阀的特点。而在MR磁头中则必须加垂直偏压。
现在，GMR元件除用于磁头外，正在研究用于高空间分辨率、小型、快速响应的磁场传感器。
（3）高频载波型磁场传感器
磁性薄膜中通以高频载波电流，并加上外磁场，磁性薄膜磁导率和趋肤效应就随磁场而变化，结果使电感和电阻即阻抗发生变化，利用这种现象开发出高频载波型磁场传感器。近年来采用非晶磁性丝材开发出利用这种现象的磁场传感器，被称为磁阻抗（MI）效应型传感器。
高频载波型磁场传感器是把磁性薄膜微加工制成的小形平面型器件。空间分辨率高，预期灵敏度也高。它在弱磁场中的阻抗变化率远远超过磁电阻效应型和GMR型传感器。由于采用数十MHz～GHz频段高频载波电流作传感器信号，对磁场的响应也快。
下面介绍高频载波型磁场传感器中的长方形磁场传感器和外磁型闭磁路传感器。
①长方形磁场传感器
长方形传感器是在最简单的结构——长方形磁性薄膜中通高频载波电流，检测它随外磁场的阻抗变化来检测磁场的器件。
设长方形磁性薄膜纵向为难磁化轴，横向为易磁化轴，纵向通以载波电流、加上外磁场Hex时，阻抗由下式给出：
(5.4)
式中，ρ：磁性薄膜的电阻率，：长方形磁性薄膜长度，w：磁性薄膜宽度，t：磁性薄膜厚度，F：与磁性薄膜磁导率、电阻率、膜厚、载波电流频率有关的函数，因比较复杂，这里不给出具体的表示式。函数F与长方形长度和宽度无关，因此，阻抗变化值与长度增大和宽度减小成比例地增大。通过对函数F的分析了解到：阻抗变化值可通过把膜厚增大到大于趋肤深度将急剧增大；由于有外磁场，膜内部有效磁场与磁性薄膜各向异性磁场相等时，阻抗变化值达到最大。
图5.4是长方形磁性薄膜高频载波型传感器阻抗与外磁场关系的实验值与由(5.4)式求得的理论值的比较。其中磁性薄膜成分为Co85Nb12Zr3，尺寸长5mm、宽100μm、厚1μm，沿宽度方向赋予约0.8kA/m的磁各向异性。阻抗测量是在长方形膜的纵向外加直流磁场Hex，通以1、100、500MHz高频载波电流时进行的。从图5.4看出，理论值和实验值大致相符；在与赋予的各向异性磁场大致相等的外磁场下，阻抗达最大值；与膜厚和趋肤深度相近时，500MHz下，阻抗变化值△Z达到27Ω。这时阻抗变化率为△Z/Z=45%。
（b）外磁心型闭磁路磁场传感器
这种磁场传感器结构是磁性薄膜-导体线-磁性薄膜叠层型。磁路为外磁心型闭磁路结构，抑制磁通泄漏，增大阻抗变化。
图5.5是用非晶磁性薄膜（Co73Si12B15，厚2μm、宽2mm、长10mm）夹Cu导体（厚3μm、宽0.5mm）的叠层式外磁闭磁路型传感器的结构（a），阻抗与外磁场的关系（b）。用磁场成膜法沿非晶磁性薄膜宽度方向感应各向异性磁场。阻抗测量是在器件纵向加外直流磁场Hex，通以10MHz载波电流条件下进行的。对尺寸小的器件，电阻值随导体截面积的减小而增大，采用磁性多层膜把低电阻导体包住的夹层结构，可降低基准电阻值，增大阻抗变化率。尤其是用SiO2层将导体和非晶磁性薄膜绝缘时，阻抗变化幅度大，变化率达到600%，电压变化率为0.8%/A·m。
高频载波型磁场传感器，输出一般与信号磁场极性无关，如图5.5（b）。作为传感器，为了判别信号磁场极性，使检测特性的线性化，补偿温度特性，必须加直流偏场。今后希望研究有关加偏场的方法和可不加偏场的新型元件结构。
2应力磁传感器
检测固体的静态和动态应变与压应力和张应力，一般都采用应变仪。常用的应变仪，有利用直径几十μmNiCr系电阻丝变形产生的电阻变化的电阻丝应变仪，有利用半导体压电电阻效应的半导体应变仪。这些应变仪灵敏度用单位应变的电阻变化率或电压变化率（应变系数）来表示，电阻丝应变仪和半导体应变仪的应变系数分别约为2和100～200。
近年，随着机器人技术的发展，要求更精确地控制应力和位移；医疗领域的心电图传感器、信息技术领域的磁头控制等都强烈要求开发体积小、灵敏度高、温度特性稳定的传感器。下面介绍最近新开发的体积小、灵敏度高的高频载波型应力与应变传感器。
应力与应变传感器用材料，对于小应变，要求磁特性灵敏且变化幅度大，兼有高磁致伸缩和高磁导率特性、具有机电耦合系数大的薄膜材料。能满足这些要求的有Fe基或Co基非晶磁性材料。尤其是含Fe量多的非晶磁性材料具有超过PZT（Pb(Zr，Ti)O3）的大机电耦合系数，是完全满足上述要求的优质材料。根据这点，并考虑容易赋予感生磁各向异性和耐蚀性好等特点，开发出在Fe基非晶材料中添加约10%Co的非晶薄膜。在磁致伸缩系数为λs的磁性薄膜上外加△l/l的应变，磁性薄膜初始磁导率μi产生如下式的变化：
(5.5)
式中：Ms磁性薄膜饱和磁化强度，Ku磁性薄膜各向异性常数，EF磁性薄膜杨氏模量。由上式可知，由于磁性薄膜的应变△l/l，（起始）磁导率随有效磁各向异性的变化而变化。
磁性薄膜电阻率为ρ，角频率为ω，磁性薄膜的趋肤深度由公式给出：
(5.6)
这时磁性薄膜的阻抗Z用k=(1+j)/δ的关系由下式给出：
(5.7)
式中，ω、、t分别是磁性薄膜的宽度、长度和厚度。从(5.6)和(5.7)式看出，磁性薄膜磁导率变化表现为阻抗的变化。
图5.6是用射频溅射法在厚0.2mm的Si基片上，形成厚5μm的(Fe90Co10)76Si11B13非晶高磁致伸缩薄膜，用微细加工技术制成长约3mm、宽约100μm的梳形线圈构成的2个传感器。用磁场热处理赋予沿传感器宽度方向磁各向异性。图5.7表示直接给它们通200～700MHz高频载波电流，测得的阻抗，横轴表示外加给梳形线圈端部的位移。从图中可知，外加约180ppm张应变情况下，500MHz下阻抗变化率为25%。设应变量为ε，将此阻抗变化率换算为应变读出中的应变性能指数
，约为2.7×103。性能指数相当于应变仪的应变系数，与半导体应变仪和金属应变仪相比，灵敏度分别高10倍和100倍。
高频载波型应力与应变传感器具有与前面介绍过的外磁型闭磁路磁场传感器相同结构。有人采用Co73Si12B15非晶磁致伸缩膜（λs=-6×10-6），用CoSiB(2μm)/Cu(3μm)/CoSiB(2μm)叠层结构制成长4mm、宽0.5mm的高频载波型应力与应变传感器。在1～15MHz的载波频率下，观测到应变读出中的性能指数为1500～2000。
通常，扩大应变检测范围与提高灵敏度是相反的。因此，要得到希望的应力与应变特性，必须清楚知道所用磁性薄膜的磁致伸缩大小和磁导率特性，以便选择适用的材料。另外，温度特性也与提高灵敏度相反。但温度特性可通过结构上改进，而得到某种程度的缓解。因此，今后希望对器件结构进行更深入的研究。
参考文献
日本应用磁气学会2000年vol24第12期1409-1414页。
磁场传感器的检测对象，磁场强度分布范围很广：从生物体产生的极弱磁场（≈10-7A/m）到磁共振成像仪MRI中的强磁场（≈107A/m）。如图5.1所示，磁场频率从地磁场的直流到磁带录像机VTR或硬盘中数十MHz的高频。其空间分辨率，在磁记录等领域中希望达到亚微米量级。
微型磁场传感器传感元件小，可检测微小范围的磁场；元件本身自共振频率高，可检测高频磁场；用微细加工技术制作，传感元件容易排成阵列，可检测多维磁场信息。因此作为新一代磁场传感器颇引人注意。下面介绍近年来在微型化、平面化取得显著进展的磁通门磁强计、磁电阻效应磁场传感器和高频载波型磁场传感器。
（1）磁通门磁强计
磁通门磁强计利用钼坡莫合金（81%Ni-余Fe-6%Mo）等具有陡峭的过饱和特性的倍频磁调制法；从直流到数kHz频段内具有10-5A/m的分辨率，是最常用的磁场传感器。
磁通门磁强计构成方法有多种，基本工作原理如图5.2所示。软磁磁心的B～H特性如图5.2(b)所示，磁心上绕两个线圈（见图5.2(a)）：一个是通交流励磁电流Iexc的励磁线圈；另一个是检测感应电压Vind的检测线圈。图5.2(c-1)表示，励磁线圈中通以振幅大的频率为f的三角波电流，产生磁场H(f)，使磁心周期性地磁化饱和。磁心内磁通密度变化如图5.2(c-2)，检测线圈中感应周期为1/f的脉冲电压（见图5.2(c-3)）。如果外部加上磁场Hex，图5.2(c-1)(c-2)(c-3)中波形产生如图中虚线所示的相移，检测线圈中出现振幅为下式表达的二次谐波V2：
(5.1)
式中，N：检测线圈匝数，A：磁心截面积，μeff：磁心有效磁导率，Hm：励磁磁场最大值，Hs：磁心磁化饱和磁场。测出二次谐波就可检测磁场Hex。
实际的磁通门磁强计中，使用棒状和环状磁心，而且使用2个磁心，励磁方向相反，从而抵消感应电动势中所含的奇次谐波。
以前的磁通门磁强计磁心尺寸为数cm，比较大；还要几个线圈，因此难以小型化。但是，由(5.1)式可知，提高励磁频率会增加灵敏度。于是，最近有人提出采用磁性薄膜作磁心，用微细加工技术制成体积小的平面型高频励磁的微型磁通门磁强计。例如，传感元件尺寸为厚4μm、宽4.9mm、长1mm；磁心采用微细加工成长方形的Fe-Ni-In薄膜；励磁和检测线圈是将Al膜微细加工成在磁心上立体绕线结构；线圈和磁心间的绝缘层采用聚酰亚胺。在3MHz励磁频率下，传感器的磁场检测灵敏度为3.5mV/(A/m)，分辨率为3.2×10-2A/m。此外，还有采用Fe-Hf-O或Co-Ta-Hf薄膜作磁心的传感器，在10MHz励磁频率下，检测灵敏度为3μV/(A/m)。
这样，微型磁通门磁强计灵敏度比以前立体磁心小2～3个数量级，今后要进一步提高频率、对磁心材料和传感器结构进行研究。
（2）磁电阻效应型磁场传感器
磁电阻效应（MR）型磁场传感器是利用铁磁性体电阻随磁化而变化的传感器。灵敏度比较低，约大于地磁场，但元件尺寸小，为μm～mm量级，空间分辨率高，响应特性快，价格低。因此用于磁编码器和磁记录读出磁心等。
铁磁性体磁电阻效应中，电阻有两种变化：一是电阻随外磁场引起的磁化强度变化；二是电阻随磁化方向和电流方向夹角的各向异性变化。磁电阻效应型磁场传感器利用后一种效应。
在具有单轴各向异性场HA的磁性薄膜的易磁化轴方向，通以电流I，在难磁化轴方向加上外磁场Hex，磁性薄膜中产生的电压变化为：
(5.2)
式中，△R：是电阻R与电流和磁化方向平行时的电阻R1之差，即△R=R-R1。(5.2)式表示：电压变化△V与外场Hex的极性无关；要增大灵敏度，必须增大△R。
通常取△R与电阻最小值R0之比△R/R0（称为MR比）来表示它的大小。含Ni量约80%的NiCo和NiFe合金中，△R/R0=2～3%。加大到外磁场在难磁化轴方向磁化饱和时，△R/R0=4～6%。一般铁磁性金属或合金中，R0=R1。
增大检测灵敏度，也可考虑增大电流I。实际传感器中，由于受发热和功耗限制，必须制成高阻抗型元件结构，将铁磁性体加工成梳形。另外，为了使传感器输出与外磁场Hex成正比，沿元件宽度方向加偏磁场使磁化方向与易磁化方向成45°角，让△R/R0处于近似成正比的区域。
近年发现，由厚度为几个原子层（几nm）的Fe层和Cr层构成的人工晶格多层膜中，在4.2K加1.6×107A/m外磁场时，电阻减小约46%。电阻下降这样巨大，被称作巨磁电阻效应（GMR）。1991年发现室温下Co/Cr人工晶格膜电阻变化达到65%。GMR效应是由铁磁性金属和非磁性金属界面上传导电子选择性散射引起的。传导电子的自旋，不是与铁磁性层的磁化矢量平行就是反向平行，传导电子从非磁性金属层进入磁性金属层时，与磁化矢量同方向的自旋电子几乎不散射，呈低电阻状态；与磁化矢量方向相反的自旋电子散射强烈，呈高电阻状态。开始，GMR效应需要的磁场非常大，没被看作有实用价值的元件。后来发现，选用NiFe合金等软磁性层作铁磁性层，用无交换作用顺磁性金属Cu、Au、Ag等作非磁性层，软磁性层用比较小的磁场就可以将磁化矢量从反向平行状态反转到平行状态。于是纷纷研究将GMR元件用于磁记录读出磁头。特别是称为自旋阀的GMR元件已达到实际使用水平。图5.3是自旋阀GMR元件结构示意图。钉扎层和自由层的两层软磁性层夹着一层Cu等导体层。钉扎层为普通NiFe层，与FeMn等反铁磁性层相接。钉扎层磁化矢量通过与反铁磁性层的交换耦合固定在元件宽度方向。自由层主要由NiFe构成，其易磁化轴因成膜时的磁场处理等原因，取向为与钉扎层磁化矢量垂直方向。设外磁场为Hex，自由层的各向异性磁场为HA，相邻的铁磁性层磁化矢量反向平行和平行时电阻差为△R，则输出电压变化△V为
(5.3)
△V和Hex的比例关系，不用垂直偏压也能得到。这是自旋阀的特点。而在MR磁头中则必须加垂直偏压。
现在，GMR元件除用于磁头外，正在研究用于高空间分辨率、小型、快速响应的磁场传感器。
（3）高频载波型磁场传感器
磁性薄膜中通以高频载波电流，并加上外磁场，磁性薄膜磁导率和趋肤效应就随磁场而变化，结果使电感和电阻即阻抗发生变化，利用这种现象开发出高频载波型磁场传感器。近年来采用非晶磁性丝材开发出利用这种现象的磁场传感器，被称为磁阻抗（MI）效应型传感器。
高频载波型磁场传感器是把磁性薄膜微加工制成的小形平面型器件。空间分辨率高，预期灵敏度也高。它在弱磁场中的阻抗变化率远远超过磁电阻效应型和GMR型传感器。由于采用数十MHz～GHz频段高频载波电流作传感器信号，对磁场的响应也快。
下面介绍高频载波型磁场传感器中的长方形磁场传感器和外磁型闭磁路传感器。
①长方形磁场传感器
长方形传感器是在最简单的结构——长方形磁性薄膜中通高频载波电流，检测它随外磁场的阻抗变化来检测磁场的器件。
设长方形磁性薄膜纵向为难磁化轴，横向为易磁化轴，纵向通以载波电流、加上外磁场Hex时，阻抗由下式给出：
(5.4)
式中，ρ：磁性薄膜的电阻率，：长方形磁性薄膜长度，w：磁性薄膜宽度，t：磁性薄膜厚度，F：与磁性薄膜磁导率、电阻率、膜厚、载波电流频率有关的函数，因比较复杂，这里不给出具体的表示式。函数F与长方形长度和宽度无关，因此，阻抗变化值与长度增大和宽度减小成比例地增大。通过对函数F的分析了解到：阻抗变化值可通过把膜厚增大到大于趋肤深度将急剧增大；由于有外磁场，膜内部有效磁场与磁性薄膜各向异性磁场相等时，阻抗变化值达到最大。
图5.4是长方形磁性薄膜高频载波型传感器阻抗与外磁场关系的实验值与由(5.4)式求得的理论值的比较。其中磁性薄膜成分为Co85Nb12Zr3，尺寸长5mm、宽100μm、厚1μm，沿宽度方向赋予约0.8kA/m的磁各向异性。阻抗测量是在长方形膜的纵向外加直流磁场Hex，通以1、100、500MHz高频载波电流时进行的。从图5.4看出，理论值和实验值大致相符；在与赋予的各向异性磁场大致相等的外磁场下，阻抗达最大值；与膜厚和趋肤深度相近时，500MHz下，阻抗变化值△Z达到27Ω。这时阻抗变化率为△Z/Z=45%。
（b）外磁心型闭磁路磁场传感器
这种磁场传感器结构是磁性薄膜-导体线-磁性薄膜叠层型。磁路为外磁心型闭磁路结构，抑制磁通泄漏，增大阻抗变化。
图5.5是用非晶磁性薄膜（Co73Si12B15，厚2μm、宽2mm、长10mm）夹Cu导体（厚3μm、宽0.5mm）的叠层式外磁闭磁路型传感器的结构（a），阻抗与外磁场的关系（b）。用磁场成膜法沿非晶磁性薄膜宽度方向感应各向异性磁场。阻抗测量是在器件纵向加外直流磁场Hex，通以10MHz载波电流条件下进行的。对尺寸小的器件，电阻值随导体截面积的减小而增大，采用磁性多层膜把低电阻导体包住的夹层结构，可降低基准电阻值，增大阻抗变化率。尤其是用SiO2层将导体和非晶磁性薄膜绝缘时，阻抗变化幅度大，变化率达到600%，电压变化率为0.8%/A·m。
高频载波型磁场传感器，输出一般与信号磁场极性无关，如图5.5（b）。作为传感器，为了判别信号磁场极性，使检测特性的线性化，补偿温度特性，必须加直流偏场。今后希望研究有关加偏场的方法和可不加偏场的新型元件结构。
2应力磁传感器
检测固体的静态和动态应变与压应力和张应力，一般都采用应变仪。常用的应变仪，有利用直径几十μmNiCr系电阻丝变形产生的电阻变化的电阻丝应变仪，有利用半导体压电电阻效应的半导体应变仪。这些应变仪灵敏度用单位应变的电阻变化率或电压变化率（应变系数）来表示，电阻丝应变仪和半导体应变仪的应变系数分别约为2和100～200。
近年，随着机器人技术的发展，要求更精确地控制应力和位移；医疗领域的心电图传感器、信息技术领域的磁头控制等都强烈要求开发体积小、灵敏度高、温度特性稳定的传感器。下面介绍最近新开发的体积小、灵敏度高的高频载波型应力与应变传感器。
应力与应变传感器用材料，对于小应变，要求磁特性灵敏且变化幅度大，兼有高磁致伸缩和高磁导率特性、具有机电耦合系数大的薄膜材料。能满足这些要求的有Fe基或Co基非晶磁性材料。尤其是含Fe量多的非晶磁性材料具有超过PZT（Pb(Zr，Ti)O3）的大机电耦合系数，是完全满足上述要求的优质材料。根据这点，并考虑容易赋予感生磁各向异性和耐蚀性好等特点，开发出在Fe基非晶材料中添加约10%Co的非晶薄膜。在磁致伸缩系数为λs的磁性薄膜上外加△l/l的应变，磁性薄膜初始磁导率μi产生如下式的变化：
(5.5)
式中：Ms磁性薄膜饱和磁化强度，Ku磁性薄膜各向异性常数，EF磁性薄膜杨氏模量。由上式可知，由于磁性薄膜的应变△l/l，（起始）磁导率随有效磁各向异性的变化而变化。
磁性薄膜电阻率为ρ，角频率为ω，磁性薄膜的趋肤深度由公式给出：
(5.6)
这时磁性薄膜的阻抗Z用k=(1+j)/δ的关系由下式给出：
(5.7)
式中，ω、、t分别是磁性薄膜的宽度、长度和厚度。从(5.6)和(5.7)式看出，磁性薄膜磁导率变化表现为阻抗的变化。
图5.6是用射频溅射法在厚0.2mm的Si基片上，形成厚5μm的(Fe90Co10)76Si11B13非晶高磁致伸缩薄膜，用微细加工技术制成长约3mm、宽约100μm的梳形线圈构成的2个传感器。用磁场热处理赋予沿传感器宽度方向磁各向异性。图5.7表示直接给它们通200～700MHz高频载波电流，测得的阻抗，横轴表示外加给梳形线圈端部的位移。从图中可知，外加约180ppm张应变情况下，500MHz下阻抗变化率为25%。设应变量为ε，将此阻抗变化率换算为应变读出中的应变性能指数，约为2.7×103。性能指数相当于应变仪的应变系数，与半导体应变仪和金属应变仪相比，灵敏度分别高10倍和100倍。
高频载波型应力与应变传感器具有与前面介绍过的外磁型闭磁路磁场传感器相同结构。有人采用Co73Si12B15非晶磁致伸缩膜（λs=-6×10-6），用CoSiB(2μm)/Cu(3μm)/CoSiB(2μm)叠层结构制成长4mm、宽0.5mm的高频载波型应力与应变传感器。在1～15MHz的载波频率下，观测到应变读出中的性能指数为1500～2000。
通常，扩大应变检测范围与提高灵敏度是相反的。因此，要得到希望的应力与应变特性，必须清楚知道所用磁性薄膜的磁致伸缩大小和磁导率特性，以便选择适用的材料。另外，温度特性也与提高灵敏度相反。但温度特性可通过结构上改进，而得到某种程度的缓解。因此，今后希望对器件结构进行更深入的研究。
参考文献
日本应用磁气学会2000年vol24第12期1409-1414页。
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