GMI Sensor Principle & Application 巨磁阻抗传感器的原理及应用介绍新.磁.（上.海）.电.子.有.限.公.司2013.12 By Tonysensors-ic at qq com邮.件. sensors ic at GMI Sensor 巨磁阻抗传感器简介巨磁阻抗效应（GiantMagneto ‐Impedance effects, GMI ）是指软磁材料的交流阻抗随外加磁场的改变而发生显著变化的现象，产生GMI 效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。
GMI 磁传感器采用交流驱动,具有灵敏度高、饱和磁场低、响应快和稳定性好等优点。
利用GMI 非晶丝材料可设计成高灵敏度的磁场传感器，用于微弱磁场、电流、位置、生物在地磁场测量地磁匹配导航及分子浓度等物理量的检测,在地磁场测量、地磁匹配导航及多种弱磁传感器中有着广泛的应用，具有很大的应用前景和研究价值。
传感器基础材料—非晶丝The MI Sensor makes use of the Giant Magneto‐amorphous metal wire. Impedance effect of magneticGMI传感器材料——GMI效应材料的GMI效应可以用样品阻抗Z随外加磁场Hex变化的Z‐Hex曲线来表征，但这样的曲线不能明确反映出磁阻抗效曲线来表征但样的曲线不能明确反映出磁阻抗效应的强弱程度。
特别是由于样品的测量长度无法严格控制不同样品的无法相较因可选用阻抗的制，不同样品的Z‐Hex无法相互比较，因此可选用相对变化值随外加磁场的变化曲线来表征，用没有外加磁场时的样品阻抗Z0作为“阻抗的相对变化量”的变化场时的样阻抗作为阻抗的相对变化的变化基准，即DZ/Z0=(Z‐Z0)/Z0，其变化率与样品本身的长度无关因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严关。
因为测量电流的频率不高，测量导线的发射并不严重，因此采用四点法进行测量。
GMI GMI 传感器材料——GMI 效应图所为点法测量意图其中为亥姆霍兹线圈图所示为四点法测量示意图。
其中1为亥姆霍兹线圈，提供匀强磁场；2是本设计使用的非晶丝样品；3是霍尔传感器，用于测量磁场强度。
用示波器分别接入电阻和非晶丝两端以显示电压变化。
GMI 某实验利用国内研制的合金非晶丝作为敏感元件在室GMI 传感器材料——GMI 效应CoFeNbSiB 合金非晶丝作为敏感元件。
在室温下材料对温度的变化不敏感，利用图示的测量方法，在室温下进行测量。
图2行测量图所示为在不同频率的激励信号下样品的阻抗随磁场变化的曲线，在0.25mT 的磁场作用下，其阻抗都将达到最大值，当激发电流频率为10MHz 时，其阻抗值为最大GMI传感器材料——GMI效应GMICHARACTERIZATION OF MAGNETO‐IMPEDANCE THIN FILM MICROSTRUCTURESCHARACTERIZATION OF MAGNETO ‐IMPEDANCE THIN FILM MICROSTRUCTURES GMI 传感器材料——GMI 效应GMI传感器材料——GMI效应GMICHARACTERIZATION OF MAGNETO‐IMPEDANCE THIN FILM MICROSTRUCTURESGMI效应测试—非晶材料GMI特性测量仪非晶材料磁阻抗特性测量仪简介一、主要技术参数1.系统控制主机：内含可1路可调恒流源（0.3mA~50mA）、2路4 1/2数字电压表和1块USB接口24bit数据采集卡；功耗：<50W。
2.自动扫描电源：0~±5A，扫描周期8~80秒。
3.亥姆霍兹线圈：0~±160Gs。
亥姆霍兹线圈4.测量专用检波与放大电路技术参数：输入信号动态范围：±30 dB；输出电平灵敏度：30mV / dB；,输出电流：8mA；,转换速率：25 V /μs；相位测量范围：0~180°；相位输出时转换速率：30MHz；响应时间：40 ns～500 ns；测量夹头间隔10mm。
5.计算机：PC兼容机，Windows XP、Windows 7操作系统。
6.数据采集软件：运行环境Windows XP、Windows 7操作系统。
三轴赫姆霍兹线圈磁场h l h l l h d ll f ld h l 发生装置・Within its Helmholtz coils, this device will generate a magnetic field with optional settings or a space with zero magnetic field.・It uses ultra ‐high sensitivity MI sensors to measure the magnetic field.Th i H l h lt il t ll d b t d t t th ti fi ld・Three ‐axis Helmholtz coils controlled by computer are used to generate the magnetic field.脉冲电流驱动When pulse electric current is passed to amorphous metal wire, the wire impedance changes significan response to the strength of the imposed magnetic field.This phenomenon is called "Giant Magnetoimpedance Effect”微型MI元件设计of a micro‐pickup coil wrapped around the Consists amorphous meta wire.The pickup coil detects the imaginary part of the MI effect.GMI传感器的性能优势(1) Extremely High Sensitivity，up to 10‐6Gauss can ()l i h S i i i0Gbe detected.GMI传感器的性能优势GMI传感器的性能优势器件种类探头长度分辨率响应速度功耗霍尔件/霍尔器件10‐1000.5Oe/1kOe1MHz10mW MR器件10‐1000.1Oe/100Oe1MHz10mW GMR器件10‐1000.01Oe/20Oe1MHz10mW001Oe/20Oe磁通门10‐20mm1μOe/3Oe5kHz1WGMI器件1‐2mm1μOe/3Oe1MHz10mGMI传感器的性能优势p gSuperior Sensing Performance (2) Fast Response，Frequencies up to 1MHz are possible.GMI传感器的性能优势Superior Sensing Performance (3) Excellent TemperatureStabilityDue to high Curie temperature of the wire, temperature characteristic shows excellent stability. is one of the strengh of MI sensor compared stability This when to the semiconductor magnetic sensors such as hall effect sensors.GMI传感器电路设计电路基本原理是利用非晶丝在几兆赫兹固定频率、几毫安的交变电流激励下，其阻抗值Z＝R＋Xi随沿丝轴方向施加的外磁场而发生变化的现象。
根据图2的阻抗变化特征，选取其中阻抗值最大也最敏感的10MHz交变电流激励，激发电流的大小对材料特性的影响不大，根据经验选取其值为10mA。
非晶丝在0.25mT以下的磁场激励下阻抗变化近似线性且曲线的斜率较大，利用此段特性作为传感器的感应区域。
GMI传感器电路设计然后通过信号处理电路检测非晶丝两端的输出电压随外加磁场的变化，利用单片机进行电压与磁场的转换，从而形成微型磁传感器整个传感器由传感单元信号检测单元数据采集单元实器。
整个传感器由传感单元、信号检测单元、数据采集单元、实时显示单元和数据传输单元构成，主要包括激励源电路、磁感应探头、模拟信号处理电路、单片机数据处理电路以及数码管显示电路。
基本工作过程为：磁敏感元件非晶丝感应与其轴向重合的外加磁场变化，经过激励电流的作用产生交变信号，模拟信号处理电路将其变换成对应于磁场变化的电压信号。
单片机控制数据采集并进行计算，输出磁场强度送数码管显示。
进行计算输出磁场强度送数码管显示GMI传感器电路设计图所示为传感器在直流磁场下的测试结果，直流磁场由霍姆赫兹线圈提供，方向沿非晶丝的长度方向，并与地磁场垂直．用MATLAB对曲线进行5次多项式拟合得：y=22.5x5‐276.3x4+1349.5x3‐3279.5x2+3964x‐1906.3其中x为传感器输出电压值，单位为V，y为转换后的磁场强度，单位为mT。
将此多项式输入单片机做实时电压与磁场转换，即可实时显示出磁场值。
经测算，传感器输出灵敏度达5.76mV/μT，不需要霍尔传感器的预热时间，适用于弱磁场的检测。
GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计GMI传感器芯片设计Hi h D i R GMI C t S GMI 传感器检测电流A High Dynamic Range Current SensorGMI传感器检测电流A High Dynamic Range GMI Current SensorHigh Dynamic Range GMI Current Sensor GMI 传感器检测电流AA High Dynamic Range GMI Current SensorGMI 传感器检测电流g y g . Block diagram of the closed ‐loop.High Dynamic Range GMI Current SensorGMI 传感器检测电流A Sensor output versus measured current in closedloop for two values of the feedback resistor.SAW GMI sensors SAW-GMI sensorsFIGURE 7.a)Layout of the commercialized GMI sensor from Aichi Steel Co. (b) Noise output sensor of the GMI sensor.b)Fig. 7showsa GMI sensor developed by Aichi Steel Co., which has a very high sensitivity of 1V/μT and a noise level of 1 nT[51].GMI传感器选型说明XM-1DH型GMI传感器主要检测弱磁场变化，可检测出1nT的磁场噪声变化，该传感器包含一个高灵敏度磁敏单元以及与之搭配的信号处理单元。