GMR巨磁在医疗领域的应用.pdf

巨磁传感器应用于医疗设备的新篇章

自旋电子固态传感器已应用于工业中，对这一领域进一步的研究也可能会使它应用于医疗
设备。
DanielA.Baker,JayL.Brown,andCarlH.Smith

量子力学认为电子有两种稳态——上和下。随着纳米加工方法的改进,设备制造公司将这一技术应用
于设备制造中.被称为自旋电子学的技术已经用于提高硬盘存储密度.自旋电子传感器应用于业领域至少有
五年的历史，例如机器人制造中应用了磁圆筒位置检测计。这篇文章总结了当前自旋电子传感器在医疗中
的应用、传感器的结构、操作和设计思路以及它们在医疗器械方面的发展前景。

自旋电子传感器
军事方面的应用对自旋电子传感器的开发产生了很大的促进作用。在医疗行业中，这类传感器通常作
为机电磁开关的替代品，例如安瓿和微型机电系统(MEMS)弹簧开关。由于没有活动部分，与电子传感器
比较起来，自旋电子传感器除了其固有的可靠性外，还具有更高的灵敏度和精度。相对于其它固态传感器，
自旋电子传感器具有更高的灵敏度和精度，而且不易被强磁场破坏。此外,自旋电子传感器与传统的半导
体处理器相兼容,这有利于制造高集成度的传感器系统。模拟传感器可以检测到低于0.1nT的磁场，数字传
感器磁性操作点低达1mT，重复性优于1%。可将以下数据作为参考,地球磁场是0.05mT,磁共振成像系
统磁场强度一般为1-3T。
自旋电子传感器逐渐应用于第一类医疗设备，如空气传导助听器。在助听器中，传感器检测到电话或
其他电子设备后自动进入信号处理模式。例如，当使用助听器的人用手机时，灵敏的传感器就能检测得到.
厂商也愿意使用这种传感器，因为它结实，抗震性强。此外,这种传感器体积小这一点也有利于助听器的
小型化。
自旋电子传感器也可应用于第三类医疗设备，如心率震动器、可植入的心脏复率器的电震发生器、神
经调节器等。一个非常重要的应用就是植入设备中在程序磁激活和特殊模式下替代安瓿和微型机电系统
(MEMS)开关。同样，其无活动部分和小体积的特点使得它非常适合应用于可移植设备。正因为具有这些
特点，自旋电子传感器与机电传感器相比，在温度和电压范围方面，自旋电子传感器具有更高的精度和更
好的可重复性。与机电传感器不同，自旋电子传感器在长时间内操作点稳定且重复性好，对机械震动和冲
击抵抗力强.。良好的精度和可重复性（高于百分之一）使得它在要求的磁场范围内稳定运行，同时减少意
外启动的可能性。

巨磁阻效应
大多数自旋电子传感器利用了一种称作巨磁阻效应（GMR）的原理。GMR最早是在1988年被巴黎肃
德大学的研究人员所发现。“巨“这个字眼似乎与具有纳米属性的设备格格不入,但这里指的是在磁场中电
阻变化巨大（进入商业应用的设备电阻变化10%--20%,实验室中装置变化达100%),而其它类型的磁传感器
最多只变化几个百分点。
GMR是一种层状结构，外层是铁磁合金，中间层的一个超薄非磁性导体层（参看图1.A），

上海默伟电子科技有限公司-1-
电话：[phone]http://www.moweisensor.com

非磁性导体层一般是由铜构成。通常情况下，铜是良好的导体，但当它的厚度只
有几个原子时，电子散乱分布导致其电阻显著增大。
电阻的改变取决于围绕在导体层外的电子的相对旋转方向。当处于磁场中
时，磁性材料中导体层上下的旋转方向将进行交换（参看图1b）。设备的电阻发
图1.A无外加磁场时局磁
生了改变，所以这种结构能够用于检测外界磁场。实际应用中，通常设置多个交
阻传感器电阻很大，加了外界
替的磁性层和非磁性层，以增加其灵敏度。
磁场后，一般电阻会下降

10–15%
量子力学：为了理解GMR在原子级上的工作原理，考虑以下的类比：如果一
个人将一个球（比作导体的电子）扔进两个正在向同一方向转动的滚筒间（比作平行旋转排列的磁性层），
球会顺畅的运动；当上下两个滚筒运动方向相反时，球会跳动，运动杂乱。另一方面我们可以将GMR效
应比作光通过偏光器，当偏光器排列一致时光线可以通过，当它们的排列相反时，光就被阻挡了。
金属的电阻取决于传导电子实际的自由轨道的数目，而在GMR设备中，电阻则取决于电子的旋转方
向。在铁磁材料中，当电子的旋转方向与铁磁体的磁场一致时，电子便加速运动，相反时，电子的运动速
度便降低。在非磁性导体中，任意能带的向上运动和向下运动的电子数目相等。由于铁磁的交互作用，导
体层中向上旋转和向下旋转的电子数目是不同的。依据量子力学的原理，当电子进入铁磁导体层后，被散
射的可能性取决于它的旋转方向。一般说来，当电子的旋转方向与铁磁体中大多数电子旋转方向一致时，
电子便能运动得更远而不被分散。
合适的层厚度可以增加磁性层的逆平行耦合作用，这对于在无磁场情况下保持传感器的高阻态是必