自旋电子学型MR磁性传感器的原理分析

（文章来源：TDK）

自旋电子学型MR器件是由强磁性体薄膜将非磁性体薄膜夹在中间的夹心结构。一侧的强磁性体膜是通过钉扎固定磁化方向的钉扎层(固定层)，而另一侧则为自由层，其强磁性体膜磁化方向追随外部磁场方向进行变化。由于器件电阻与钉扎层和自由层的磁化方向相对角成正比进行变化，因此可通过电流大小得知磁场强度。

MR磁性传感器与磁通门传感器或MI(磁阻抗)传感器不同，由于只需供应DC电源便可获得信号，因此不需要复杂的振荡电流。

虽然MR器件拥有优异的温度特性，但其电阻值还是会随着温度变化而产生细微变动。为了将这一温度漂移控制在最小范围，在MR磁性传感器中，基板上形成有多个器件，并通过冲桥结构进行差动温度补偿。以4个器件为组合的典型的惠斯登电桥电路如图所示。箭头表示钉扎层的磁化方向。

TDK的MR磁性传感器单元组合了电桥结构的多个MR器件，并且内置有低噪音电路。TDK开发了将该传感器单元以格子状进行排列的传感器阵列，并与东京医科齿科大学大学院进行共同研究，通过MR磁性传感器成功实现了世界首例(2016年)心磁场的测量与可视化(影像)。

同时，TDK通过实现最大64ch的多信道化，成功获得了更为清晰的图像。图所示为TDK的MR磁性传感器单元以及64ch(信道)传感器阵列。 

使用TDK的64ch MR磁性传感器进行心脏磁场分布测量及可视化的示例如图所示。重叠胸部X光片后，蓝色波形映射了心电图(ECG)、绿色波形映射了心磁图(MCG)，而照片则映射了心脏的磁场分布。黑色点为传感器信道，心磁图波形为通过以黄色点(①②)表示的传感器信道得到的磁场强度时间波形。之所以波形峰值之间方向相反是因为磁力线方向不同。

照片中与天气图等压线类似的白色闭合曲线所示为，与心电图R波相对应，且与测量时心脏周围相同磁场强度相结合的等磁线。红色以及蓝色部分表示磁力线方向不同。红色部分表示磁力线的流出方向，蓝色部分则表示磁力线的流入方向。心电图R波所示为心室收缩过程，通过磁场分布与磁力线朝向以及右手螺旋定则，此时的心脏活动电流可推定为沿绿色箭头方向流动。
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