各向异性磁阻传感器与磁场测量.docx

实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。
磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。其中磁阻效应法发展最 快，测量灵敏度最高。磁阻传感器可用于直接测量磁场，如弱磁场测量，地磁场测量，各种 导航系统中的罗盘， 计算机中的磁盘驱动器， 各种磁卡机等等。 磁阻传感器也可通过磁场变 化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关， 隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻( MR)，各向异性磁阻(AMR)，巨磁阻(GMR)， 庞磁阻(CMR)等阶段。本实验研究 AMR的特性并利用它对磁场进行测量。
【实验目的】
了解AMR的原理并对其特性进行实验研究。
测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。
测量地磁场。
【实验原理】
各向异性磁阻传感器 AMR ( An isotropic Magneto-Resistive sensors)由沉积在硅片上的坡莫合 金(Ni80 Fe20)薄膜形成电阻。沉积时外加磁场， 形成易磁化轴方向。易磁化轴是指各向异性的磁体 能获得最佳磁性能的方向，也就是无外界磁干扰时 磁畴整齐排列方向。
铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有 关，电流与磁化方向平行时电阻 Rmax最大，电流与
磁化方向垂直时电阻 Rmin最小，电流与磁化方向成 0
角时，电阻可表示为：
R = R min + (Rmax — Rmin )COS2 0 ( 5-10-1 )
在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对 输出的影响，由 4个相同的磁阻元件构成惠斯通电
电桥电压Vb
%」导体带
才■电涼方向
输出一
接地
图5-10-1磁阻电桥
桥，结构如图5-10-1所示。图5-10-1中，易磁化轴方向与 流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明， 采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的 方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。
无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时， 磁化方向即易磁化轴方向， 电桥的
4个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图 29-1所示方向的磁场时，合
成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。 结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向的
夹角增大，电阻减小 职；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大 朋。通过
对电桥的分析可知，此时输出电压可表示为：
U = VbX AR/R
(5-10-2)
式中，Vb为电桥工作电压，R为桥臂电阻， AR/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁 场强度B成正比，即 AR/R=KB故AMR磁 阻传感器输出电压与磁场强度的关系为 U=KVbB，因此可利用磁阻传感器测量磁 场。其中K为磁阻传感器的灵敏度，本仪 器所用磁阻传感器的灵敏度为 1mV/。灵敏度表示，当磁阻电桥的 工作电压为1V，被测磁场磁感应强度为 1
高斯时，输出信号为1mV。
商品磁阻传感器已制成集成电路，除 图29-1所示的电源输入端和信号输出端 外，还有复位/反向置位端和补偿端两对功 能性输入端口，以确保磁阻传感器的正常 工作。
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