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。
