0 引言
巨磁阻抗(GMI)效应1992年被日本的Mohri教授等人[1]在CoFeSiB软磁非晶丝中发现，即磁性材料的狡辩阻抗随外界磁场的变化而发生显著变化。但是由于当时材料和技术方面的限制，未能引起广泛关注。
随着科学技术的发展，巨磁阻抗效应得到了进一步的研究，因为非晶丝在交变电流激励下，其阻抗值随外磁场发生显著变化，阻抗变化率在几个奥斯特的磁场作用下可达到50%以上，比GMR效应高很多，因此引起了国内外的广泛关注。又因为巨磁阻抗在低磁场以及室温下的高灵敏度，使得巨磁阻抗在磁传感器中具有巨大的应用潜能。
本文介绍了巨磁阻抗传感器近些年来国内外的研究现状，并阐述了巨磁阻抗研究的发展趋势和存在的问题，对于缩小国内与国外的差距有一定的作用，对巨磁阻抗传感器的研究也有一定的参考价值。
1 巨磁阻抗(GMI)原理及研究
1.1 巨磁阻抗(GMI)基本原理和测试方法
GMI效应是指材料在交变电流激励下其阻抗值Z随外加直流磁场Hex的变化而发生显著变化的一种现象，但是GMI效应产生和增强的机理尚不完全清楚，目前比较一致的看法是与材料在高频电流激励下的趋肤效应有关。“趋肤效应”又称“集肤效应”，是对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的一种现象。趋肤效应通常用趋肤深度来表示，其定义为：
(1)
(1)式中ρ为材料的电阻率，f为电流激励频率，μφ为材料的磁导率。
根据经典电磁理论，高频电流激励下的阻抗值Z与趋肤深度存在函数关系，以丝材为例，其关系为：
(2)
(3)
(2)式中，t为丝材的半径，Rdc为直流电阻，J0、J1分别为零阶和一阶贝塞尔函数；(3)式中，c为光速，δ为材料的电导率。
由此可见，材料的交流阻抗值和材料的电导率、磁导率、激励电流频率等参数有关。外加磁场通过影响材料的趋肤深度，从而改变材料的交流阻抗值。
通常情况下，利用阻抗变化率来表明GMI效应的强弱，阻抗变化率常用的有两种定义：
(4)
(5)
Z(Hmax)为饱和磁化时的阻抗值，Z(H0)为材料在外加磁场为零时的阻抗值，实际应用中，Z(Hex)一般为磁场发生装置所能产生的最大磁场所获得。(4)式和(5)式各有侧重，但实际表达的物理意义是一样的。
GMI磁阻抗的基本测试电路如图1所示，向被测样品中通入固定大小的交流电，同时在样品轴向施加外磁场，测量样品两端的电压值，便可得到样品的阻抗值（实际中，经常使用阻抗分析仪完成阻抗值的测量）。
1.2 巨磁阻抗(GMI)理论模型
巨磁阻抗效应与激励电流的频率密切相关，因此理论模型通常分为如下几个频段进行讨论：
(1)低频(1-10kHz)
因为低频时材料的趋肤效应比较弱，材料的磁阻抗变化主要是由磁感应效应引起的，材料的自感系数L在外加磁场的影响下改变材料的阻抗值。
在此频段下，准静态模型比较适用。准静态模型[2]是假设：激励频率小到足以满足每时每刻系统都能达到平衡状态。准静态模型未考虑与磁化强度快速运动的动态效应，因此准静态模型仅适用低频的GMI效应。
(2)中频(10k-10MHz)
当频率升高时，外场影响磁导率使趋肤深度变化从而引起GMI效应[3]。此时必须考虑圆周或横向磁导率对GMI效应影响。Panina等[4]提出涡流模型用以计算丝材竹节状磁畴结构的圆周磁导率。低频时外阻抗Z跟自感系数L有关，而L与静态圆周磁导率μφ相关。高频时，R和L均对GMI有贡献，趋肤效应起主要作用，涡流模型能够解释中频范围的GMI效应且频率在100kHz-30MHz内与实验结果基本吻合。
(3)高频(10M-GHz)
高频下，GMI效应被认为与旋磁效应和铁磁弛豫有关。磁畴模型就此产生，相比于涡流模型，磁畴模型考虑了丝材圆周磁畴结构对GMI效应的影响。Chen等人[5]首先提出了这种模型，后经其他科学家的不断完善，使得磁畴模型成功的解释了f<100MHz时GMI效应的性质，但是频率达到GHz后，铁磁共振成为GMI效应的主要原因，涡流模型和磁畴模型便不再适用，所以需要新的模型来解释GMI效应。
电磁模型能较好的解决频率达到GHz以后的GMI效应，电磁模型采用铁磁共振理论。铁磁共振条件下圆周或横向磁导率出现典型的共振现象，磁导率虚部在共振频率出现最大值，共振场下有效磁导率急剧增加因此趋肤深度较小，频率一定时Hdc增加使共振频率移动。趋肤深度理论上达到最小值为：
(6)
此时GMI效应达到最大值。
高频范围内，电磁模型较好地解释了GMI效应基本性质和大部分实验结果。但由于忽略了有效磁场交换作用，因此某些方面不能完全用此模型解释。
交换-电导率模型就被提出，它除了描述铁磁模型中的交换作用的影响外，还结识了交换刚度的影响。交换-电导率模型能在较宽频段定性的解释GMI效应。
由于材料磁畴结构的复杂性以及各种假设的合理性,以上各个模型均不能完全解释GMI效应。
2 国内GMI传感器研究现状
国内巨磁阻抗(GMI)效应的研究开始于1995年，中国西南应用磁学研究所的马昌贵[6]，他在论文中阐述了巨磁阻抗(GMI)效应及应用开发。随后江苏大学的鲍丙豪[7]对非晶丝(带)合金材料的做了进一步的研究。2000年以后，巨磁阻抗(GMI)效应的研究在国内成为热点之一，许多科研单位取得了一定的研究成果，制成的巨磁阻抗(GMI)器件的GMI比和灵敏度不断提高。下面就从基于非晶丝、非晶带及薄膜这三种材料的GMI传感器介绍近年来国内研究巨磁阻抗(GMI)传感器的现状。
2.1 国内基于非晶丝的GMI传感器研究现状
巨磁阻抗(GMI)效应最初是在非晶丝材料中发现的，非晶丝材料的巨磁阻抗(GMI)效应的来源归结于特殊的磁畴结构和较强的趋肤效应。人们对非晶丝材料的研究主要是以Co基和Fe基为主，以CoFeSiB系材料最为典型。
熔融抽拉法是制作非晶丝的主要方法之一，通过改进此方法，可以制作出性能更佳的非晶丝材料。武继文等人[8]通过改进现有的熔融抽拉法，制成的Co68.25Fe4.5Nb0.8Si11.45B15长度为2cm，直径为26的样品，经初步测量，发现其磁电阻比最高达692.91%，GMI比在271.62%以上，最高可以达到310.55%，远大于Fe基的非晶丝材料。
王蕊丽等人[9]通过熔融抽拉法制备了Fe73.0Cu1.0Nb2.5Si13.5B9.0，然后利用化学镀法在玻璃包裹丝上沉积了一层Cu，构成复合结构丝，其中非晶丝直径为7，玻璃包裹丝厚度为1，Cu层厚度为1.5。通过与未镀Cu的非晶丝材料测试对比发现，在频率小于80MHz时，复合结构丝的磁阻抗变化比未镀Cu的大，当频率大于80MHz后，恰好相反。
魏双成等人[10]为了解决非晶丝磁探测器负反馈线圈造成的制作困难、电路复杂和功耗等问题，他们设计了特殊结构的磁敏感元件，如图2所示，导电层为非磁性的铜或铝，用电镀法制作，检测线圈直径小于200，绕制20匝，连接部连接非晶丝和导电层，形成脉冲电流回路，导电层和非晶丝在制作时保持同轴。因为导电层和非晶丝是同轴心关系，H1与H2大小相等，方向相反，合成的结果为相互抵消，因此消除了脉冲电流对磁场测量的影响。
采用(Co94Fe6)72.5Si12.5B15（直径30，长度3mm）非晶丝材料，制成上述敏感元件，使用1MHz脉冲电源作为激励源，采用如图3所示结构框图进行设计，然后进行试验测量，测得该磁探测器磁场灵敏度为185mV/Oe，线性范围为±1Oe，磁探测器的磁场分辨率可达10nT，能对微小铁磁物体进行准确探测。
2.2 国内基于非晶带的GMI传感器研究现状
大量实验表明，非晶薄带是低频巨磁阻抗(GMI)传感器的理想材料。国内关于非晶带巨磁阻抗(GMI)效应的研究主要集中在热处理条件对材料性能的影响，非晶薄带表面镀膜改变其表面粗糙度来改善材料性能。
何佳等人[11]研究了在空气中不同温度退火对非晶薄带性能的影响。通过对Fe36Co36Nb4Si4.8B19.2非晶薄带分别在290~530，530~600及600以上三个不同温度段下进行退火，然后分析发现一定的退火温度下(610)可以得到良好线性的单峰LDGMI曲线。同时，刘洁等人[12]也研究了Fe78Co2Zr8Nb2B9Cu1非晶薄带经过550、600、650不同温度退火后，发现在600保温60min退火后性能最佳，其GMI比达到181.4%。
曹柏泉等人[13-14]通过磁控溅射法在非晶薄带(Co66Fe4NiSi15B14)上镀CoFe和CoFe2O4膜，可以显著提高非晶带薄的巨磁阻抗(GMI)效应。采用宽为2mm，厚为25，长为10mm的薄带，通过磁控溅射法在薄带上溅射CoFe或CoFe2O4薄膜涂层，测试后发现镀膜后的薄带最大巨磁阻抗比较未镀膜的薄带提高了近30%（镀膜后为65%，未镀膜为38.7%）。通过AFM观察样品表面形貌，发现镀膜后样品表面粗糙度比镀膜前明显减小。研究发现，趋肤效应显著时材料表面粗糙度对GMI效应有较大影响，若样品表面不平，局部会形成回路磁场，从而使表面退磁场增加。薄带表面镀膜降低了表面粗糙度，减小了表面退磁场的影响，且闭合了样品的磁通回路，提高了样品的GMI效应。
鲍丙豪[15]设计了一种如图4所示的磁芯气隙中串联层叠非晶带GMI效应电流传感器。当磁芯中引入强负反馈磁场时，实验结果表明，新型电流传感器的非线性误差小于0.5%FS，线性量程±7A，对非接触式传感器的设计具有一定的参考价值。韩冰[16]基于商用Co基和自制CoZrB非晶带的巨磁阻抗(GMI)效应引入晶振设计了测量准静态弱磁场的磁场传感器，使电路振荡频率更加稳定。同时他还提出了如图5和图6所示的阵列式和螺旋式双探头结构的两种非接触的巨磁阻抗(GMI)传感器。[page]
2.3 国内基于薄膜的GMI传感器研究现状
国内巨磁阻抗(GMI)薄膜的研究起步较晚，在2000年以后开始逐渐火热起来。薄膜巨磁阻抗(GMI)传感器适合半导体电路的集成并可大批量生产，能大大节约成本，因此研究软磁非晶薄膜材料的巨磁阻抗(GMI)效应有很重要的实用价值。
钟智勇等人[17-18]研究了NiFe/Cu/NiFe层状薄膜的巨磁阻抗(GMI)效应随Cu层宽度发生震荡变化，并提出了新的等效电路模型来解释这一现象。随后计算分析了单层膜和多层膜的巨磁阻抗(GMI)效应，计算结果表明多层膜结构的巨磁阻抗(GMI)效应远强于单层膜。然后又分析得出了铁磁层和非铁磁层薄膜的电阻率相差越大，巨磁阻抗(GMI)效应越明显，在多层膜厚度一定的前提下，铁磁层和非铁磁层薄膜存在一个最佳的厚度。这为以后研究薄膜型GMI传感器作出了一定的贡献。
段本生[19]、王文静等人[20]研究了磁控溅射技术对材料巨磁阻抗(GMI)性能的影响。段本生主要针对改变偏压、溅射气压以及溅射时间对NiFe/Cu/NiFe薄膜材料性能的影响，王文静等人主要研究的是射频溅射功率、各种退火处理对FZB薄膜材料性能的影响。其中，王文静指出，在FZB中掺杂Cu、Nb、Ni等可明显改善薄膜材料的性能。不论是掺杂材料、溅射功率还是不同条件退火，只要感生适当的各向异性均会很大程度的提高材料的软磁性能和巨磁阻抗(GMI)性能。
王鸣昊等人[21]关注了几何结构对复合薄膜巨磁阻抗(GMI)效应的影响。通过电磁理论简历模型，并仿真不同结构参数的三层膜的GMI特性，得出在厚度一定的前提下，存在一个最佳导电层厚度，并且导电层宽度越大，GMI特性越好。
3 国外GMI传感器的研究现状
由于巨磁阻抗(GMI)传感器对于弱磁场的检测具有重大的意义，所以国外对巨磁阻抗(GMI)传感器的研制一直都很热门。目前，基于生物传感器、应力传感器、磁场传感器等已有广泛的研究并逐渐应用于交通控制、空间探索、生物医疗、地磁检测等领域。但是大部分产品还处于实验室研究阶段，商业化很少。但是巨磁阻抗(GMI)传感器被公认为有广泛的应用前景，对其的研究也一直在深入。下面从不同材料介绍国外对巨磁阻抗(GMI)传感器的研究现状。
3.1 国外基于非晶丝的GMI传感器研究现状
Brett Fisher等人[22]用一个微控制器产生脉冲激励，使用玻璃包裹Co66.94Fe3.83Ni1.44Mo1.69B11.51Si14.59非晶丝（直径22.8，长1cm，玻璃/金属核心比为0.19），最终在40-80A/m的磁场范围内最高的灵敏度可以达到200%/Oe，而且几乎是线性的。磁场变小，灵敏度下降。但是在零场附近灵敏度保持在10%/Oe左右。传感器探头结构如图7所示，这样可以消除外场干扰以实现稳定的输出。传感器电路如图8所示。试验结果表明使用微处理器可以有效的激励传感器，而且微处理器激励也可应用于生物医疗领域，对于集成有很大的意义。
K.Fodil等人[23]运用GMI技术动态探测微通道内的磁纳米粒子。研究者首先进行了物理推导，证明使用巨磁微丝动态探测磁纳米粒子的可能性，然后使用CoFeSiBNb巨磁微丝（直径40，长度1cm）制作的传感器，然后进行试验（实验设置如图9所示），分别进行静态和动态测量（如图10和图11所示），对比测量结果可以得出设置的带宽适合液体的流速，所以在人体的血管中可以使用此方法进行检测，为生物医疗的应用开辟了一个引人关注的方向。
3.2 国外基于非晶带的GMI传感器研究现状
M.Ipatov等人[24]关注不同电流的直流退火对非晶带性能的影响。对多组(Co0.95Fe0.05)75Si10B15非晶带（宽0.50mm，厚32，长7cm）材料分别在440-680mA直流电通电5分钟，退火温度保持在274-427，驱动频率在0.01-1GHz。从图12和图13中可以看出，巨磁阻抗(GMI)效应随着电流退火强度和频率的增强而增加，这是因为趋肤深度的改变和通过薄带厚度易轴的分散。所以，通过改变退火条件或者在薄带上镀反铁磁膜以改善材料的各向异性从而改善其巨磁阻抗(GMI)性能的研究具有很大的价值。
A.Ruiz等人[25]分别在Co65Fe4Ni2Si15B14(typeⅠ)和Co69Fe4Ni1Mo2B12Si12(typeⅡ)非晶薄带上沉积50nm厚的钴铁氧体磁性层，然后对沉积有磁性层的薄带进行对比测试，结果发现无论是在GMI比还是磁场灵敏度上均有提高。与纯薄带相比，type I材料的GMI比和磁场灵敏度分别提高97%和42%，type II则提高34%和50%。这是因为沉积磁性层可以修正材料的表面平整度而且关闭其磁通路径。在这一点上，与上文所提到的曹柏泉等人[13-14]的观点是一致的，这也说明在薄带上镀膜以改善材料的GMI性能的研究上与国际还是同步的。
3.3 国外基于薄膜的GMI传感器研究现状
E. Fernández等人[26]对FeNi/Ti不同磁性层厚度对巨磁阻抗(GMI)效应的影响进行了研究。研究者使用Fe20Ni80，在总厚度一致的前提下，分别采取25,50,100nm三种不同的磁性层厚度，实验结果表明（如图14所示），50nm厚度的FeNi层的多层膜结构在低频时其性能比100nm的略好，而25nm的性能是三者中最差的（三种不同厚度FeNi层的性能概要如表1所示）。其中最好的测试结果是样品[FeNi(50nm)/Ti(6nm)]7/FeNi(50nm)在200MHz时磁阻抗比可达到24%，在140MHz时的灵敏度为135%/kA/m。
关于多层薄膜，除了典型的三明治结构外还有人提出过曲折形的三层膜结构，例如I.Giouroudi等人[27]曾提出如图15所示的结构，可以提高GMI比和灵敏度。T.Morikawa等人[28]还提出过CoSiB/SiO2/Ag/SiO2/CoSiB五层结构，其GMI比值最大为700%，灵敏度达到约300%/0e。虽然五层膜的性能较三层薄膜好很多，但是考虑到多层膜的主要优势在于可集成，而五层膜无疑增加了传感元件的总厚度，因此在以后的研究中很少有人研制五层薄膜。
4 发展趋势及存在的问题
显而易见，巨磁阻抗(GMI)传感器拥有良好的应用前景，但是仍然存在一些问题需要解决。首先，材料的选择，非晶丝、非晶带、薄膜或者是纳米晶丝、纳米晶薄带都有弊有利，在不同频率选用不同的材料，并且需要进一步开发新材料，提高传感器的灵敏度；其次，磁后期效应，这个是在传感器应用上不需要的，采用退火等工艺可以改善材料的性能，因此退火工艺可以进一步深入研究；再次，传感器探头的设计，传感器探头在传感器中至关重要，目前采用丝或带材制作探头比较多，但是因为其几何形状的限制，改善探头结构的空间不太大，因此运用薄膜和MEMS技术对传感器探头进行设计是未来发展的一个趋势；最后，传感器电路的优化设计，如何设计出功耗低、性能稳定、价格低廉、集成度高的电路，此外，非对称性巨磁阻抗(AGMI)效应能很好的改善巨磁阻抗(GMI)传感器在零场附近的特性。因此在优化电路的同时，利用AGMI效应设计全新的电路成为目前研究的热点。
5 结束语
基于巨磁阻抗(GMI)效应的传感器与现有的半导体器件（霍尔元件和磁敏电阻等）、磁电阻器件、磁通门和GMR传感器相比，有结构简单、响应快、稳定性好、功耗低、便于集成等特点（目前主要磁传感器种类的性能对比如表2所示），因此巨磁阻抗(GMI)传感器可被广泛应用于检测弱磁场、交通运输、生物医疗等方面，应用价值极高。但是大部分还处于研究阶段，商用较少。与微电子结合，运用薄膜和MEMS技术，研制高集成度的传感器是未来的一个发展趋势。
表2 主要磁传感器性能对比
器件种类 探头长度 分辨率 响应速度 功耗
霍尔器件 10-100 0.5Oe/1kOe 1MHz 10mW
MR器件 10-100 0.1Oe/100Oe 1MHz 10mW
GMR器件 10-100 0.01Oe/20Oe 1MHz 10mW
磁通门 10-20mm 1μOe/3Oe 5kHz 1W
GMI器件 1-2mm 1μOe/3Oe 1MHz 10mW
致谢：感谢四川省科技支撑计划项目(2013GZ0025)资助。
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