摘 要 巨磁电阻材料是20世纪90年代新开发的一种功能材料。由于它与传统的各向异性磁电阻材料相比具有很高的磁场灵敏度等优点，关于它的研发在国际上倍受重视。巨磁电阻材料过去主要用于制作计算机硬盘读头，目前正向着更广泛的应用领域扩展。巨磁电阻(GMR)传感器元件由于灵敏度高、热稳定性好、成本低等优点而完全可取代霍尔及磁阻（AMR）元件，从而广泛应用在信息、电机、电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。在汽车传感技术上的应用是巨磁电阻材料的一个重要应用领域。
　　关键词 巨磁电阻材料；汽车；磁传感器
　　
　　1、 巨磁电阻材料及国内外发展状况
　　
　　磁场可以使许多金属的电阻发生改变，只不过这种变化很小，一般不超过2%，这种由于磁场引起的电阻变化称为磁电阻效应。1988年，Baibich等人报道了惊人的发现^[1]，在Fe、Cr交替沉积而形成的多层膜（Fe/Cr）N中，其磁电阻变化率达到了50%，此后，称这一现象为巨磁电阻（GMR）效应。巨磁电阻效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视，现已成为当前凝聚态物理5个热点之一。
　　利用巨磁电阻材料可以对微弱磁场传感，制作高灵敏度磁传感器。1994年，美国NVE公司首先实现巨磁电阻（GMR）效应的产业化，并销售巨磁电阻磁场传感器。1998年，美国IBM公司成功地把GMR效应应用在计算机硬盘驱动器上，研制出巨磁电阻（GMR）磁盘读头。巨磁电阻（GMR）磁盘读头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息高速公路图像传递存储的瓶颈，目前存储密度已高达130GB/平方英寸^[2]。世界GMR磁头的市场总额每年400多亿美元。更令人可喜的是，2001年美国摩托罗拉公司宣布成功研制出GMR磁随机读取存储器，这种存储器将预示1000亿美元的市场容量。最近，美国科学家新开发出一种新型由镍材料制成的磁阻装置，它具有超乎寻常的灵敏度，其电阻在室温下随微弱磁场而产生的变化幅度可达3000%，刷新了此前的纪录。研究人员将他们的新装置命名为“弹道磁阻”（BMR）。科学家们称，这一装置如用于制造计算机硬盘磁头，有可能使硬盘存储密度在现有基础上提高几十倍左右，使信用卡大小的硬盘可以存储比50部DVD内容还多的信息。随着人们对GMR效应深入的研究和开发利用，一门以研究电子自旋作用为主同时开发相关特殊用途器件的新学科——自旋子学逐渐兴起。美国自然科学基金会（NSF）提出：自旋子学科的发展及应用将预示着第四次工业革命的到来。
　　在国内，通过1996年香山科学会议，我国制定了GMR高技术研究开发计划，并把GMR效应的研究及应用开发列为我国将要重点发展的七个领域之一。国家自然科学基金委员会“九五”期间就“GMR效应和材料”设立了“重大项目”，无论是材料制备、微结构研究，还是理论研究等方面都取得了一系列国际水平的成果。例如：南京大学固体微结构实验室邢定钰教授等的项目“自旋输运和巨磁电阻理论”获2002年国家自然科学二等奖。国内有几家单位在从事巨磁电阻高灵敏度磁传感器的开发工作，但是由于技术、资金及设备等诸多因素，GMR的开发还未真正进入产业化阶段。
　　国际上，巨磁电阻材料主要用于制作计算机硬盘读头和磁随机存储器等应用器件，但这些领域被IBM、TTK等一些大公司给垄断着。目前，这种巨磁电阻材料向着更广泛的应用领域扩展。巨磁电阻(GMR)传感器元件由于其灵敏度高、热稳定性好、成本低等优点而完全可取代霍尔及磁阻（AMR）元件，从而广泛应用在信息、电机、电子电力、能源管理、汽车、磁信息读写及工业自动控制等领域。在汽车传感技术的应用是巨磁电阻材料的一个重要应用领域。
　　
　　2、 汽车市场对传感器的技术需求
　　
　　随着电子技术的飞速发展，汽车日趋电子化、智能化和轻型化^[3]。而实现汽车运动控制的关键之一是高可靠度、高性能、低成本的传感器。目前，普通汽车上大约装有几十到近百只传感器，豪华轿车上则更多，这些传感器主要分布在发动机控制系统、底盘控制系统和车身控制系统中。汽车行驶的环境条件差别极大，既有南北极的极严寒地区，也有赤道地区的酷热气候，因此，要求传感器具有极强的适应性，能在－40℃～100℃的条件下，无须调整，正常工作；汽车工作的气候条件可能极度恶劣，有时尘土弥漫，有时风雨交加，所以传感器应具有很好的密封性，耐潮湿、抗腐蚀能力；同时传感器还要能够抵抗来自发动机内部的各种干扰，抵抗发动机工作时的强烈振动和产生的电磁波，因此要求传感器具有极强的抗干扰能力；而且传感器必须兼备高稳定性、高可靠性和较高使用寿命。由于汽车对传感器的苛刻要求，新型车用传感器必然是兼顾以上需求而研发的更高精度、高性能的传感器。由于传感器在电控系统中的重要性，所以从某种意义上说，先进汽车的竞争即是传感器的竞争，世界各国对其理论研究、新材料应用、产品开发都非常重视。
　　目前国内在汽车上应用较广的传感器是霍尔器件。虽然它结构简单、价格低廉，但其测量精度较低，且对温度的变化比较敏感。对于需要高精度测量的场合，不能满足需要。由于其材料特性和结构特点，限制了其分辨率的继续提高和在较高温度场合的应用。在这种背景下，汽车业界急需一种能解决以上矛盾且成本低廉、容易实现产业化的传感器。在数字式传感器中，金属磁电阻编码器是近十几年随着光学编码器发展起来的一种新型电磁敏感器件。光学编码器的主要优点是精度高，但对潮湿气体、污染和振动敏感，可靠性差；而金属磁电阻编码器不易受油污和粉尘的影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快(达500kHz～700kHz)，体积比光学式编码器小，而成本更低，且易将多个元件精确地排列组合，比用光学元件和半导体磁敏元件更容易构成新功能和多功能器件。此外，采用双层布线工艺，还能使金属磁电阻编码器不仅具有一般编码器仅有的增量信号和指数信号输出，还具有绝对信号输出功能。金属磁电阻式传感器不但结合了霍尔式传感器和光学编码器的双重优点，其功耗更低，体积还可以更小型化，便于安装。由于其金属磁电阻材料是镍铁合金薄膜，易于形成产业化大批量生产。在高速度、高精度、小型化、长寿命的要求下，金属磁电阻编码器以其突出特点而独具优势，其市场需求量每年以20%～30%的速度增长，成为发展高技术产品的关键之一。目前，由于汽车对分辨率要求不断提高，国际上采用巨磁电阻材料，使得车用传感技术正向着金属巨磁电阻磁编码传感器方向发展。日本日测机舍株式会社和日本伺服公司日前的金属磁电阻编码器年销售额均已超过1亿日元。美国至少有5家公司在研制生产金属磁电阻编码器。对于汽车这种运行环境多变且恶劣的动态物体来说，金属磁电阻式编码器的应用前景非常广阔，可作为角位移传感器，线位移传感器，转速传感器，加速度传感器等部分代替目前的霍尔式传感器，提供高精度信号监测，提高控制系统品质。过去，国内对于这方面的研究还不够。金属磁电阻材料和微米加工技术不能达到要求，其分辨率和转速都遇到较大限制，造成此种性能优异的材料产品化的严重桎梏。
　　现在，北京科技大学材料物理与化学系、中科院物理所和中科院微电子中心等单位科研人员密切合作，成功地实现了巨磁电阻（GMR）的纳米级薄膜和微米级加工技术。他们已研制出高灵敏度巨磁电阻芯片，并且首先采用超薄各向异性磁电阻（AMR）薄膜材料研制出高分辨率金属各向异性AMR磁电阻编码器。即AMR传感器读出具有500对磁极的磁鼓（直径仅40mm）信号，其性能远优于霍尔传感器。这种金属磁电阻编码器的工作原理是，转轴的回转在磁鼓上进行多极起磁，通过磁传感器检测磁极信号，它作为编码器脉冲信号加以利用。面对这项高科技研究成果，结合汽车传感器发展的现状和趋势，北京科技大学联合北京理工大学以及北京三环迪宏电子技术有限公司等单位的科研人员，结合该实验室相关研究课题，正在共同开发车用金属GMR和AMR磁电阻编码器，以填补国内此项研究的空白，并探索其产品化的道路，使金属GMR和AMR磁电阻编码传感技术不仅能用于汽车轮速、发动机转速、曲轴、方向盘、车轮转角等检测，还可用于踏板、主动悬架、液压缸等直线运动物体位移的精确测量。
　　顺应车用传感器技术集成化、智能化的要求，实现金属巨磁电阻传感器和微处理器一体化设计，使各控制系统对相同的信号能够同时采集和使用，简化控制系统结构、减少元件数和连接电缆数以及所占空间，这是未来传感器应用和控制系统发展的方向。国外各大传感器公司，如霍尼威尔（Honeywell）、西门子（Siemens）、阿列格洛（Allegro）等正投入大量人力物力进行研制，但相关产品均价格昂贵。国内研究才开始起步。可以肯定的是，今后的车用传感器一定会是集成化智能化传感器，以简化系统，降低成本，提高可靠性及故障诊断能力。
　　
　　3、 汽车传感器市场
　　
　　安全、舒适、无污染、经济性一直是汽车工业和用户追求的目标。实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化，先决条件则是各种信息的及时获取，这势必要求在汽车中大量采用各种传感器，尤其是迫切需要体积小、质量轻、成本低、适合各种实际恶劣环境的车用磁传感器。据有关文献报道全世界的汽车产量将从2000年的4750万辆(包括客车、特种车辆和轻型卡车)增长到2005年的5400万辆。2000年汽车用电子产品的市场为227亿美元，预计到2005年达到309亿美元，年平均增长率达到6.3%。相应的每部汽车在电子产品方面所花费的成本从2000年的477美元增加到2005年的572美元。2000年汽车传感器的市场为61.7亿美元(9.04亿件产品)，到2005年将达到84.5亿美元(12.68亿件)，增长率为6.5%(按美元计)和7.0%(按产品件数计)。2000年北美所占汽车传感器市场份额最大，为47%，接下来分别是欧洲(26%)，日本(22%)，和韩国(5%)。按传感器类型统计，速度和位置传感器占2000年全部汽车传感器市场(以美元计)的38%，接下来是氧气传感器（20%）、空气质量流量传感器（13%）、加速度计(11%)、压力传感器(10%)、温度传感器(5%)及其他(3%)。磁传感器可用于车辆动态控制、翻车报警和全球卫星定位系统（GPS）后备的偏航速率传感器；用于轮速以及凸轮轴、机轴、踏板位置敏感的位置传感器等方面，这些是2000年－2005年度汽车传感器的主要增长领域。
　　
　　4、 结束语
　　
　　对车用集成金属GMR磁电阻编码传感器进行研究与开发，不仅是我国汽车产业界的一项紧迫任务，而且有助于推动相关材料研究的深入发展，是基础理论研究与工程应用的完美结合，必将促进汽车电气化水平和控制系统性能的极大提高，它具有非常广阔的市场。除此之外，它可广泛用于精密机械，如数字车床、机器人、磁盘驱动器、打印机一类办公自动化设备、通信机、测量仪表等各个领域旋转量(位置、速度、角度等)的检测和控制，具有非常可观的经济效益。