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磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器原理

磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器早由D. Robbes等人提出，該類傳感器主要由磁電阻傳感器和超導(dǎo)磁場放大器構(gòu)成。其中超導(dǎo)磁場放大器是一個由超導(dǎo)薄膜構(gòu)成的閉合環(huán)路。超導(dǎo)環(huán)路中有一段寬度狹窄區(qū)域。磁電阻傳感器位于超導(dǎo)磁場放大器環(huán)路狹窄區(qū)域上方并由絕緣層分隔。

對于超導(dǎo)磁場放大器而言，其磁場放大倍數(shù)主要由放大器的尺寸和狹窄區(qū)域?qū)挾葲Q定。增大超導(dǎo)磁場放大器的尺寸，以及減小狹窄區(qū)域的寬度，都會顯著增加超導(dǎo)磁場放大器的磁場放大倍數(shù)。例如，理論計算表明，當(dāng)超導(dǎo)磁場放大器直徑達到25 mm，狹窄區(qū)域?qū)挾葹? μm時，磁場放大倍數(shù)將達到3500 倍，而相應(yīng)的磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的磁場探測能力將有望達到1 f，甚至更低的磁場。

磁電阻/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的性能不僅取決于超導(dǎo)磁場放大器的磁場放大能力，同時也取決于磁電阻傳感器的靈敏度、噪聲等特性。目前在磁電阻傳感器領(lǐng)域性能為優(yōu)異、同時有應(yīng)用價值及潛力的當(dāng)屬GMR和TMR磁傳感器。下面將分別對GMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器的發(fā)展及本課題組在TMR/超導(dǎo)復(fù)合式磁傳感器制備、測試方面開展的工作進行介紹。

什么是壓力傳感器？

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器。

在講述壓力傳感器的同時，我們必須導(dǎo)出壓力變送器的概念。

通常傳感器由兩部分組成，即分別是敏感元件和轉(zhuǎn)換元件。其中敏感元件是指傳感器中能夠直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。

由于傳感器的輸出信號一般很微弱，需要將其調(diào)制與放大。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，人們又將這部分電路及電源等電路也一起裝在傳感器內(nèi)部。這樣，傳感器就可以輸出便于處理，傳輸?shù)目捎眯盘柫?。而在以前技術(shù)相對落后時，所謂的傳感器是指上文中的敏感元件，而變送器就是上文中的轉(zhuǎn)換元件。

壓力傳感器一般是指將變化的壓力信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)變化的電阻信號或電容信號的敏感元件，如：壓阻元件，壓容元件等。而壓力變送器一般是指，壓敏元件與調(diào)理電路共同組成的測量壓力的整套電路單元，一般能直接輸出與壓力成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號或電流信號，供儀表、PLC、采集卡等設(shè)備直接采集。

電阻應(yīng)變式壓力傳感器

將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上，當(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時，會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化，進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出，這就是電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理。

電阻應(yīng)變片應(yīng)用的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU ）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件。半導(dǎo)體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測量試件應(yīng)變或粘貼在彈元件上間接地感受被測外力。利用不同構(gòu)形的彈元件可測量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、加速度等機械量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高（約高 50～100倍）、機械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點。