智能化、可持續、安全與高效是未來電網的發展方向。借助先進的傳感與測量技術，對電力系統中電壓、電流和功率等關鍵設備參數進行實時監測與控制，是實現電網智能化的關鍵基石。精準量化電流對于確保設備正常運行、提升工作效率以及保障電力系統的安全性和完整性至關重要。
據麥姆斯咨詢報道，中國科學院大學陳嘉民研究員和中國科學院空天信息創新研究院金珍虎副研究員等人在《清華大學學報自然科學版（英文版）》（Tsinghua Science and Technology）期刊上發表了題為“Development and Application of Magnetoresistive Sensors in Current Detection”的綜述文章。該文章全面綜述了磁阻傳感器的發展歷程與基本原理，涵蓋各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器和隧道磁阻（TMR）傳感器。此外，文中還探討了磁阻傳感器在電流檢測中的應用。最后，該文章分析了磁阻傳感器在電流檢測過程中面臨的挑戰與問題，并展望了未來的發展趨勢。
磁阻傳感器在電流檢測中的應用場景
磁阻傳感器的發展歷史與基本原理
磁阻傳感器極大地推動了傳感技術領域的發展，根據不同的磁阻效應可分為三種類型：AMR、GMR和TMR。這些磁阻傳感器因其緊湊的尺寸、低功耗、高靈敏度和優異的集成能力而比傳統傳感器更受歡迎。
AMR效應最初由著名的英國科學家William Thomson于1857年發現。該效應是指鐵磁材料的電阻率隨著磁化強度和磁化與電流方向之間的角度的變化而變化。AMR傳感器的工作原理如下圖所示。
AMR傳感器的原理圖及輸出特性曲線
德國物理學家Peter Grünberg和法國物理學家Albert Fert分別于1988年和1989年在研究Fe/Cr多層膜結構時獨立發現了GMR效應。GMR效應是指鐵磁材料（包括鐵、鈷和鎳）在施加磁場時，其電阻率會發生顯著變化。GMR效應的結構與工作原理如下圖所示。
GMR傳感器的原理圖及輸出特性曲線
1975年，Jullier在研究鐵-鉻-鈷的電導率時發現了TMR效應。TMR效應基于自旋依賴的隧穿現象。磁隧道結（MTJ）的一般結構呈“三明治”構型，包括鐵磁層、非磁絕緣層和鐵磁層（FM/I/FM）。磁阻取決于兩個鐵磁層之間的磁化方向，隧道結的電阻會隨著該方向的變化而變化。TMR效應的結構和原理如下圖所示。
TMR傳感器的原理圖及輸出特性曲線
電流檢測應用
磁阻傳感器已被廣泛應用于電力系統中的電流監測，涵蓋智能電網中的電路、發電機、變電站和配電網架構。通過監測電流，可以準確評估電力系統設備的運行狀態，并及時糾正任何異常情況。
浪涌保護裝置漏電流測量示意圖
磁阻傳感器已被應用于電動汽車的電流檢測。通過檢測電流，可以控制電動汽車的功率輸出，從而提高能源利用效率。此外，這些傳感器可用于電動汽車的電流傳感器校準，以確保電流測量的準確性和精度。此外，磁阻傳感器也適用于監測電動汽車充電站的充電狀態。
用于電動汽車無線充電的多用途TMR傳感器矩陣概念圖
磁阻傳感器在工業自動化中的電流檢測應用具有重要意義。它們能夠實現設備狀態監測、故障診斷、安全保護等功能，從而提升工業自動化系統的可靠性和安全性。隨著新能源技術的發展，磁阻傳感器在太陽能和風力發電系統中用于電流監測與控制的應用日益增多。此外，磁阻傳感器還應用于醫療設備的電流檢測，包括心電圖儀和血壓計等。
發展趨勢
隨著半導體技術的持續進步，磁阻傳感器正朝著微型化、集成化和智能化方向不斷發展。磁阻傳感器的未來發展在很大程度上取決于新材料和新工藝的應用。這些新材料和新工藝具有廣泛的應用前景，使其成為磁阻傳感器未來發展的核心。磁流體技術的進步為器件制造帶來了希望。隨著線性磁阻（LMR）傳感器、磁阻抗（MI）傳感器和巨磁阻抗（GMI）傳感器等新興磁阻技術的發展，弱電流檢測問題有望得到解決。磁阻傳感器未來的發展方向包括多功能集成、安全與隱私保護、微型化、低功耗以及智能化和自適應特性。
論文信息：
DOI: 10.26599/TST.2024.9010234
