摘要：  本文介绍了GMI（巨磁阻抗）效应的起源、理论方法以及基于GMI效应电流传感器原理。讨论了GMI电流传感器敏感材料选择标准，列出了能够产生GMI效应的各种材料以及这些材料的软磁特性。叙述了国内外典型的GMI电流传感器设计方案和它们的优缺点。最后展望了GMI电流传感器发展趋势，指出薄膜探头是传感器微型化发展的一个方向。

关键字：  GMI效应，电流传感器，Co基非晶薄带，非接触式测量GMI效应，电流传感器，Co基非晶薄带，非接触式测量

1 引言
现代电子电力系统中经常需要电流传感器探测和保护电流。对于电流测量，按测量方式可分为接触式和非接触式两类。接触式测量原理为欧姆定律，根据欧姆定律电流大小和电压成正比，通常采用采样电阻的方法将一个阻值较小电阻串联在电路中用于把电流转换为电压信号进行测量。采样电阻一般使用精密电阻，阻值低，精密度高（精密度一般在±1%以内，更高要求用途时采用0.01%精度电阻）。接触式测量由于采样电阻不可能做到很小，更不可能接近于零，因此采样电阻本身会对电流值产生影响，且接触式测量必须将待测电路断开，给测量带来麻烦；非接触式测量为磁效应，通过监控电流产生的磁场得到。由于电流周围本身会产生磁场，电流大小和磁场成正比，可通过测量磁场的大小得到通过的电流大小。常见的非接触式电流传感器有霍尔(Hall)效应电流传感器、罗氏(Rogowski)线圈电流传感器及磁通门(Fluxgate)电流传感器等[1， 2]。霍尔效应电流传感器是目前应用最广泛的非接触式传感器，具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长等特点，但由于霍尔器件采用半导体材料制成，受温度影响较大，当温度变化时霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差，需要补加温度补偿电路来作为措施，这就增加了传感器的制作成本；罗氏线圈电流传感器对线圈绕制要求精确，信号处理要求较高，而且只能用于交流电流测量；而磁通门电流传感器体积较大，功耗高，响应速度低。巨磁阻抗效应作为一种新发现的磁效应，由于其灵敏度高、响应速度快、热稳定性好、使用频率范围广、体积小等特点，为开发新型电流传感器提供可能。
2 原理及优点
2.1 GMI电流传感器原理
巨磁阻抗(Giant Magnetoimpedance， GMI)效应，利用磁性材料阻抗随外加磁场变化的现象。1992年Mohri等[3]在三类非晶磁性材料(FeSiB，CoSiB和FeCoSiB)中发现：在交变磁场下，非晶细丝（直径50~100μm）两端呈现极灵敏的磁电感应效应，这种效应称之为巨磁阻抗效应。
GMI效应与材料磁导率有关，以非晶薄带为例：当非晶带通以轴向交变电流I=I0eiωt时，利用Maxwell方程组可以推导出薄带阻抗表达式为：
Z=kdRdccoth(kd)                                (1)
(1)式中：薄带厚度为2d；Rdc为直流电阻；k=(1+i)/δm；为趋肤深度；ρ为材料电阻率；ω为激励电流角频率；μ0为真空磁导率；μt为横向磁导率。由于μt随外加磁场Hex而变化，所以Z是Hex函数。
阻抗变化率（简称GMI比值）定义为：
                     (2)
(2)式中，Z(Hex)为Hex所测阻抗值，Z(Hmax)为外磁场饱和时所测得阻抗值。通常Hmax为实验设备所能产生的最大磁场。磁场灵敏度定义为：。这两个指标反映了材料对外磁场的灵敏程度。
基于GMI效应，电路中GMI敏感元件上加载交流信号Iac，敏感元件阻抗Z随作用其上外加磁场Hex变化而变化，相应敏感元件两端电压Uac也会变化。Hex为待测电流产生的磁场，因此可用电压信号Uac变化反应磁场Hex变化从而测量待测电流，这就是GMI电流传感器测量原理。原理图见图1。
2.2 GMI电流传感器优点
与传统的磁效应电流传感器相比，GMI电流传感器具有如下一些优点：
(1)灵敏度高，响应速度快
GMI材料灵敏度数量级能达到10-6Gauss，而灵敏度较高的GMR材料只能达到10-2Gauss。GMI传感器响应时间通常在0.2μs，Hall传感器和GMR传感器为1μs，磁通门传感器相对较慢200μs。
(2)敏感元件选材广泛
研究发现在非晶丝（带）、纳米晶丝（带）、薄膜以及各种复合结构材料中均发现了GMI效应，这为开发符合需求的电流传感器提供更多材料选择。
(3)测量响应范围广，测量精度高
GMI电流传感器测量范围可至几百安培大电流。由于敏感元件一定范围内线性度较好，测量精度高。
(4)体积小，功耗低
传感器电路易与探头集成，制作的器件体积小。GMI效应对激励电流要求小，功耗需求低。
(5)价格低廉
由于敏感元件取材广泛，驱动电路设计简单，易实现工业化大规模应用。
3 GMI传感器敏感材料要求
敏感材料对于传感器研制是其最核心部分，决定了传感器的灵敏度水平。因此GMI敏感材料必须具备高GMI比值和对磁场响应的高灵敏度。较大GMI效应的磁性材料通常具有：
低电阻率ρ；
高磁导率μ；
高饱和磁化强度Ms；
较小的铁磁弛豫系数α。
许多磁性材料通过一定的热处理都具有较好的GMI效应，实际应用中按照材料形态可分为丝材、带材、薄膜等。
3.1 丝材
Co基非晶丝具有负磁致伸缩系数，使得材料外层磁畴饱和磁化强度Ms沿非晶丝周向，这就能产生更大的GMI效应，因此Co基非晶丝是一种理想的传感器敏感元件材料。典型的Co-Fe-Si-B非晶丝，如成分为Co68Fe4.35Si12.5B15最大GMI比值为600%，磁场灵敏度为500%/Oe[4]。
Fe基非晶丝由于其外壳为径向磁畴结构，故有效磁导率较低，因而GMI效应相对较小甚至为零。但通过晶化处理得到的纳米晶丝GMI效应得到明显增强。Fe73.5Si13.5B9NbCu1纳米晶丝（非晶丝在500-600℃退火制得）具有较大的GMI效应，最大GMI比值达到200%[5]。Fe基非晶丝虽然GMI效应不及Co基非晶丝，但是Fe基非晶合金价格便宜，晶化后GMI效应得到提高，故Fe基非晶合金具有较好的应用前景。
3.2 带材
Co基非晶薄带因其横向磁畴结构具有较大的横向磁导率，因此具有显著的GMI效应。对于Co-Fe-Si-B非晶薄带，(Co1-xFex)70Si12B18(x=0.057)最大GMI比值为160%[6]。据报道，添加Cu、Nb元素后，Co-Fe-Si-B-Cu-Nb经过适当退火，最大GMI比值达到513%，灵敏度为144%/Oe[7]。Fe基非晶薄带跟Fe基非晶丝类似，通常GMI效应很小，经过晶化处理后GMI效应能得到显著提高。与Co基非晶薄带相比，Fe基薄带价格上具有很大优势。带材的GMI效应通常比丝材较低，但带材制备工艺简单，制作成本相对较低。
3.3 薄膜
为了提高薄膜的GMI效应，目前研究主要集中在多层膜结构。典型的F/M/F三明治结构中，F为磁性层（如CoSiB、CoFeSiB、FesiBCuNb等），M为导电层（如Cu、Ag、Au等）。F/M/F结构M层为电流主要通路减少了对交流电流阻力，外部F层形成闭合磁回路为磁通量主要通路，减少了退磁场的影响，因此提高了磁导率。研究发现不同的M层GMI效应不同，如CoSiB/Ag/CoSiB，GMI比值为440%，灵敏度为49%/Oe[8]。当在F与M层加入绝缘层时GMI效应显著提高，如在上述结构薄膜中加入SiO2绝缘层，形成CoSiB/SiO2/Ag/SiO2/CoSiB五层结构，最大GMI比值达到700%，灵敏度达到300%/Oe[9]。由于薄膜与MEMS技术结合易于电路的集成，实现器件的微型化，在传感器应用中具有很大的潜力。
对于GMI传感器应用，根据实际需要（如磁场灵敏度，工作频率，尺寸和热稳定性等）来选择不同材料。表1列出适合于制作传感器敏感元件材料。
4 GMI电流传感器研究进展
自从1992年GMI效应发现后，由于其灵敏度高、响应速度快及稳定性好等特点，国内外对GMI效应传感器研制工作成为一个热点。目前，基于GMI效应的磁场传感器[15-19]、生物传感器[20， 21]、应力传感器[22， 23]已经有了广泛的研究，并且应用于空间探测、交通控制、无损探伤、地磁检测以及生物检测等领域。日本AICHI STEEL公司已经率先开发出商用CMOS型GMI传感器集成芯片G2[24]，用于电子罗盘及运动控制。对于GMI电流传感器的研究，目前大部分还处于实验室研究阶段，由于丝材结构常采用直接在丝两端施加激励信号探测电流，在这里就不累赘。根据探头结构的不同，比较典型的有如下几类：
4.1 环状薄带结构探头
这种结构制作工艺相对简单，薄带绕成环状，将待测电流导线放在薄带环中心轴上，由于待测电流导线产生环形磁场，磁场作用于环形薄带周向上，通过测量薄带电压值来测量导线电流值。
如图2所示传感器，探头敏感元件为空气中653K退火8小时Co66Fe4B15Si15非晶环状薄带[25]。再用HF表面刻蚀1.5μm，由于表面晶化层与内部非晶相磁耦合作用，在弱磁场作用下将会在表面产生有效的单方向表面各向异性，使GMI曲线呈非对称性（图2(a)），非对称性提高了传感器在零场附近的灵敏度和线性度。100kHz频率激励下，GMI比值最大为16%，相应的磁场灵敏度为35%/Oe。将待测电流导线放在薄带环中心轴上，待测电流导线产生环形磁场作用于环形薄带周向上，通过锁相放大器测薄带电压值来测量导线电流值（图4(b)）。传感器在测量电流1A内线性度较好，激励频率为1MHz时最大灵敏度为940mV/A。
采用环状结构传感器可实现非接触式测量。处理后的非晶薄带具有AGMI效应，在零场附近灵敏度高，线性好。可实现不加偏置线圈来调整其工作点，降低了功耗。但单环结构温度相关性大，稳定性较差。
在此单环基础上，Michal Malátek等[26]研制了双环差动式结构GMI电流传感器（图(3)）。探头由2个平行排列圆环支架组成，将薄带绕在圆环支架上制成直径为31mm环带，双环上分别缠绕方向相反的260匝偏置线圈。敏感元件为390℃下2400kA/m轴向磁场10min退火的Co基(Co67Fe4Cr7Si8B14)非晶薄带。由于偏置线圈在双环上分别反向缠绕，使得待测电流产生的圆周磁场和线圈产生的偏置磁场相加减，总磁场在一环内增大，另一环内减小，再将双环间电压降经过放大、差分运算处理后输出。因为双环所受温度影响相同，故其电压降可部分弥补温漂影响，使得传感器线性度得到提高。测量电流范围为-2~2A，零点温漂系数为0.6mA/K，开环线性误差为0.5% FS。
双环差动式结构减小了温漂影响，降低了温度相关性，提高了传感器线性度。但偏置线圈的存在却会增加额外功耗。
4.2 薄膜结构探头
由于薄膜易与MEMS工艺结合实现传感器的微型化，因此在传感器应用上具有很大的优势。图4为FeCoSiB/Cu/FeCoSiB三明治结构薄膜[27]，中间为导电层Cu(3μm)上下为铁磁层FeCoSiB(2μm)。薄膜采用射频磁控溅射，用掩膜的方法形成图案。永磁材料FeCoCr层提供偏置磁场。在空气中280℃经过1KOe磁场退火。待测电流产生的磁场为纵向方向（以薄膜横向各向异性方向垂直）。1MHz时最大GMI比值为100%，分辨率为10-3Oe。
T.Kudo报道了[28， 29]基于薄膜GMI效应的三相电流传感器，测量0.1~60A rms交流电流。传感器探头敏感元件为Fe-Ta-C薄膜，薄膜放置在绝缘骨架中轴位置通过引脚连接，并在绝缘骨架上缠绕偏置线圈（图5）。电流传感器结构为三个并排放置的传感器探头，每个探头外均包裹磁屏蔽层避免电流其他相产生的干扰（图6(a)、(b)）。传感器外壳由两层磁屏蔽层组成，以防止外部磁场干扰传感器。利用两组交流偏置线圈，量程扩大600倍。传感器电路采用离散采样和3ms间歇式驱动激励，因此功耗较低为20mW。温度误差在-25℃~60℃内小于±5%，最大线性误差为3.3%。
这是一款具有商业应用前景的GMI电流传感器，敏感元件采用薄膜并且把激励电路集成在器件里，因此传感器尺寸做的很小。通过三层磁屏蔽结构，减少了外部磁场干扰。电路采用间歇式驱动和离散采样方式降低了功耗。
4.3 其他
另一种新颖的探头结构也值得关注，Bing Han等[30]设计了一种阵列式探头GMI电流传感器。探头敏感元件采用AT&M公司的2714 Co基非晶薄带，如图7(a)所示，探头为多个用铜片串联焊接的非晶薄带单元阵列，用胶固定在电木片上。探头采用差动式结构，两个阵列式探头1、2对称的放在通电导线两侧，永磁体提供偏置磁场（图7(b)）通过差动结构，减少了传感器对温度的相关性，并且不但能测量电流大小，还可以探测电流方向。传感器量程为-3A~3A，灵敏度1V/A，测量精度小于0.15%。在温度范围为-20~30℃时，温度误差为0.0033% FS。
5 GMI电流传感器发展趋势
GMI电流传感器由于其灵敏度高、分辨率高、响应速度快、尺寸小好等特点其应用前景良好，但以下几方面需要展开更加深入、全面的研究。
(1)敏感材料的选择
研制性能优越的GMI电流传感器，离不开GMI效应显著的磁性材料。敏感元件材料的热处理，几何尺寸都会对传感器的性能造成影响，GMI电流传感器的开发选择什么材料，采用何种热处理方法效果最好，需要根据具体情况（测量范围、工作频率、应用领域等）通过反复实验验证。
(2)探头结构合理的设计
目前GMI电流传感器探头敏感元件大多直接采用丝或带材，这两类材料制作工艺相对简单，丝材大多采用外缠绕偏置线圈而薄带采用环状结构，但由于受到材料几何形状限制，探头结构改进空间不大。而薄膜容易实现器件的微型化，通过MEMS工艺与驱动电路集成，因此基于薄膜技术和MEMS技术的GMI电流传感器是未来发展的一个重要方向。
(3)传感器电路的优化
电路是传感器设计重要组成部分，传感器性能好坏很大程度取决于它。如何设计性能稳定、集成度高、功耗低、价格低廉的传感器电路需要进一步的研究。
此外，非对称性巨磁阻抗(AGMI)效应[31]由于能显著提高GMI传感器在零场附近的线性度和灵敏度而引起了广泛关注。AGMI效应可以在敏感元件施加直流偏流或在其上缠绕线圈施加交流偏置场[32]产生，也可以通过材料的交换耦合作用处理获得[25]。因此AGMI效应已经成为目前研究热点，利用GMI效应的非对称性可以实现传感器在零场附近具有高的线性度和灵敏度，满足弱电流传感器需求。
6 结束语
基于GMI效应传感器具有结构简单、响应速度快、热稳定性好、微型化、功耗低等特点，因此可被广泛应用于探测电流或磁场相关物理量。电流传感器作为电子电力系统中电流检测和保护单元，在电力系统、自动控制、精密仪器等设备均有普遍应用，因此它在电流测量领域具有十分诱人的应用前景。与微电子工艺相结合，基于薄膜技术与MEMS技术，研制高集成度微型GMI电流传感器是未来发展的一个方向。
致谢：本文受高等学校博士学科点专项科研基金资助（资助号：20100185110024）。

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