CN102692287A - 一种基于磁电阻效应的新型应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁电阻效应的新型应力传感器。本发明技术方案为上面一层是上铁磁层，中间一层是非磁层，下面一层是下铁磁层，包裹层将上述部分包裹，导线穿过包裹层与上铁磁层连接，其另一端串联连接指示灯、电流表、电源，再穿过包裹层与下铁磁层连接，且上铁磁层、下铁磁层的磁致伸缩系数的符号相反、磁致伸缩系数大、具有同样小的各向异性能指标。本发明解决了现有应力传感器存在的对外部环境敏感、抗疲劳性差、结构复杂、微型化很困难、成本高、灵敏度和精确度无法满足需要等缺陷。本发明电路设计简单、工艺成熟、反应灵敏，可直接量化标度。

Description

一种基于磁电阻效应的新型应力传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，具体涉及一种基于磁电阻效应的新型应力传感器。

背景技术

在本发明之前，现有应力传感器主要基于应力作用在弹性材料上引起的机械形变进而带来了电学或光学信号的变化，从而实现检测应力的目的。其缺陷在于对外部环境敏感(如温度，湿度，氧化腐蚀等)，抗疲劳性差，结构复杂，微型化很困难，制作成本高，检测的灵敏度和精确度无法满足现在的需要。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种基于磁电阻效应的新型应力传感器。

本发明的技术方案是：

一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其主要技术特征在于上面一层是上铁磁层，中间一层是非磁层，下面一层是下铁磁层，包裹层将上述部分包裹，导线穿过包裹层与上铁磁层连接，其另一端串联连接指示灯、电流表、电源，再穿过包裹层与下铁磁层连接。

本发明的优点和效果在于电路设计简单、工艺成熟、反应灵敏，可直接量化标度。

本发明的其他具体优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——基于磁电阻效应的新型应力传感器立体示意图。

图2——基于磁电阻效应的新型应力传感器横切面示意图。

图3——两铁磁层磁化在没有外应力(a)和有外应力(b)的两种情形下的相对取向示意图。

图中各标号对应的部件如下：

上铁磁层1、非磁层2、下铁磁层3、包裹层4、导线5、指示灯6、电流表7、电源8。

具体实施方式

如图1、图2所示：

上面的一层是上铁磁层1，中间一层是非磁层2、下面一层是下铁磁层3；然后用包裹层4将上述部分包裹，所述包裹层4采用聚酰亚胺薄膜制成；再用导线5穿过包裹层4与上铁磁层1连接，导线5另一端串联连接指示灯6、电流表7、电源8后再穿过包裹层4与下铁磁层3连接；上铁磁层1和下铁磁层3的磁致伸缩系数的符号相反；导电的非磁层2与所隔开的上铁磁层1、下铁磁层3一起组成自旋阀系统。

本发明具体应用过程说明：

当环境应力作用在高弹性的聚酰亚胺制成的包裹层4上时，使其发生弹性形变，这种弹性形变产生的应力与外部环境应力相当，作用到近邻的上铁磁层1和下铁磁层3(薄膜)上，使其磁化发生对应的偏转，如图3所示，由于上铁磁层1和下铁磁层3的磁化在应力作用下的偏转方式不同，形成了一定的夹角，其夹角的大小反应了应力的大小，同时夹角的大小也决定了系统电阻的大小。因此，上铁磁层1和下铁磁层3连接上的恒压电路通过指示灯6、电流表7监测到电阻变化，就能够定性和定量地标度环境应力的大小及其变化；本发明对信号的整个处理过程为：环境应力信号→弹性应力信号→磁信号→电信号。

本发明应用分析：

由此可见，本发明基于上铁磁层1和下铁磁层3中微观磁畴变化引起的磁电阻效应，不同于当前传统的应力传感器依赖于宏观的弹性形变导致的电学或光学性质的变化。这一本质的变革克服了当前应力传感器存在的抗疲劳性差，外部温度、湿度等带来的噪声大，易氧化腐蚀，精度不高等一系列缺点。

上铁磁层1和下铁磁层3具有小的各向异性能和大的磁致伸缩系数，且关键两铁磁层的磁致伸缩系数的符号相反，这就使得两铁磁层磁化在应力作用下偏转的方式不同，其一趋于向平行于应力的方向偏转，另一趋于向垂直于应力的方向偏转。因此，这一结构设计使得两铁磁层磁化夹角在应力作用下的变化最为明显，即诱导的电阻变化最为显著，便于探测和标度。当然，将本发明的两层上铁磁层1和下铁磁层3拓展为正负磁致伸缩系数依次相间排列的多层铁磁膜，将会表现出更显著的应力磁电阻效应，更有利于传感探测，其工作原理是一致的。

两铁磁层(指上铁磁层1和下铁磁层3)中间用导电非磁层2(如Cu)隔开，并通过非磁层的厚度调节层间交换耦合，使得两铁磁层界面交换耦合为弱的铁磁性耦合。这一设计带来了两个好处：第一，系统在无应力的初始态下电阻最小，电流最大，便于传感器的探测，而且降低了能耗；第二，系统在应力作用下，两铁磁磁化取向发生分离，极其弱的界面交换耦合使得两铁磁磁化之间的相互牵制减弱，保证了较大的应力磁电阻效应。

本发明采用绝缘绝热的、耐温耐磨的、高弹性的聚酰亚胺包裹层4作为环境应力信号的收集体和传送介质，具有独特的优势。其能够将外应力信号线性地，而且几乎完全地传递给磁性薄膜，并充当了很好的保护层。

通过这一体系的电流紧密依赖于两铁磁层磁化的排列方向，平行排列时电阻最小，反平行排列时电阻最大，当两磁化取向处于某个夹角

时，系统电阻其中R^P是平行排列时的电阻，ΔR是反平行排列时与平行排列时的电阻之差。

两铁磁层是软磁材料(注：软磁材料比硬磁材料更丰富、更便宜，如Co、Ni等)，磁晶各向异性较小，且具有较大的磁致伸缩系数。

根据RKKY(Rudermann Kittel Kasuyda Yosida)交换作用理论，两铁磁层层间交换耦合类型及其大小随它们之间的层间距呈现正余玄函数的变化趋势。因此，为了使系统初始态(正常态：无应力场、磁场等)处于低阻态，通过选择合适的非磁性层厚度调节两铁磁层磁化处于弱的铁磁交换耦合状态，使得两铁磁层的磁化平行排列，并且在各自的非平衡翻转过程中相互牵制的耦合作用较弱。

Claims (6)

1.一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其特征在于上面一层是上铁磁层，中间一层是非磁层，下面一层是下铁磁层，包裹层将上述部分包裹，导线穿过包裹层与上铁磁层连接，其另一端串联连接指示灯、电流表、电源，再穿过包裹层与下铁磁层连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其特征在于包裹层是聚酰亚胺薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其特征在于非磁层采用的是Cu材料。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其特征在于上铁磁层、下铁磁层的磁致伸缩系数的符号相反。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其特征在于上铁磁层、下铁磁层的磁致伸缩系数大。

6.根据权利要求1所述的一种基于磁电阻效应的新型应力传感器，其特征在于上铁磁层、下铁磁层的具有同样小的各向异性能指标。

Images