隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用

　　摘要：本文概述了隧道磁电阻（TMR）效应的技术原理，着重介绍了基于TMR效应的传感器的工作原理和性能特性，分析了其存在的优势和不足，展望了TMR技术在电力系统中的应用前景。
　　关键词：隧道磁电阻效应；传感器；电力系统
　　1引言
　　传感测量技术贯穿了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等主要环节，是实现电力系统智能化的必要条件。传感器技术的进步与材料学中新发现密切相关。隧道磁电阻效应是近年新发现的物理现象.本文主要讨论隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用。
　　2磁电阻效应
　　2.1巨磁电阻效应
　　磁电阻效应是指由磁场引起的材料电阻率发生变化的现象，其变化大小的比率称为磁电阻变化率，记为MR=Δρ/ρ(H)=[ρ(0)-ρ(H)]/ρ(H)。大多数磁性金属都存在磁电阻效应效应,但MR值很小，一般低于3%，因此实用性较低。1988年，科学家在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应(GiantMagnetoResistanceEffect，GMR效应)。GMR效应的MR值接近50%，因此很快实现工业应用并成为大容量硬盘制造的关键技术。2007年发现GMR效应的两位科学家获得了诺贝尔物理奖[2]。GMR技术已应用于多种磁敏传感器中，但由于层间交换耦合导致饱和磁场较高，影响了基于GMR技术的传感器的敏感度。
　　2.2隧道磁电阻效应
　　随着GMR效应研究的深入，在铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层类型磁性隧道结（MagneticTunnelJunction，MTJ）中发现了隧道磁电阻效应（TunnelMagnetoResistanceEffect，TMR效应），其MR值可以达到400%。ＴＭＲ效应来源于电子自旋相关的隧穿效应，即当两铁磁层平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，磁性隧道结为低阻态；若两磁性层反平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态,而少数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小，是高阻态。由于两铁磁层的矫顽力不同，当饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，两铁磁层的磁化方向变成反平行。因此，可以通过施加外磁场的方式改变两铁磁层的磁化方向为相互平行或反平行，从而使得隧穿电阻发生变化，即产生TMR效应[2]。由于ＴＭＲ磁性隧道结的两铁磁层间基本不存在层间耦合，所以只需要一个很小的外磁场即可实现铁磁层磁化方向的改变，引起隧道磁电阻的巨大变化，因此TMR元件具有很高的磁敏感度。而且，ＴＭＲ元件还具有电阻率高、能耗小、性能稳定的特点，所以ＴＭＲ元件作为磁敏感元件，在各种电流、位置、角度传感器中具有很好的应用前景。