磁性的魅力―認(rèn)識(shí)AMR磁阻傳感器

磁傳感器是什么?

所謂磁傳感器，就是把磁場、放射線、壓力、溫度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中應(yīng)用中，磁傳感器最廣泛的是以感應(yīng)磁場強(qiáng)度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的磁傳感器，最常見的是采用霍爾(Hall)元件、各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)、巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)、隧道磁阻傳感器(Tunnel Magnetoresistance, TMR)為核心的傳感器。今天我們來認(rèn)識(shí)下AMR磁阻傳感器。

什么是AMR磁阻傳感器?

某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時(shí)，其電阻值會(huì)隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，電阻的變化量叫做磁阻。

1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對(duì)于有各向異性特性的強(qiáng)磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時(shí), 電阻是不會(huì)隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的;但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時(shí)候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會(huì)偏移，薄膜電阻降低, 我們這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR)。磁場作用效果下圖。

磁阻變化值與角度變化的關(guān)系

薄膜合金的電阻R就會(huì)因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個(gè)電阻并不與唯一的外加磁場值成對(duì)應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時(shí)，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時(shí)，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實(shí)現(xiàn)輸出的線性特性。

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個(gè)磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個(gè)偏置磁場H在電橋上時(shí)，兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向就會(huì)朝著電流方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩個(gè)電阻的阻值會(huì)增加;而另外兩個(gè)相對(duì)放置的電阻的磁化方向會(huì)朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，該兩個(gè)電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號(hào)，可以得到外界磁場值。

AMR磁阻傳感器等效電路

AMR磁阻傳感器如何“施展拳腳”?

各向異性磁阻傳感器的測量范圍正好是以地球磁場分布范圍為中心，最適合工作在地球磁場環(huán)境下的磁傳感器。其采用常見的坡莫合金，具有精度高，體積小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，且工藝上只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，適合批量生產(chǎn)和更迎合消費(fèi)類電子市場的需求。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的磁場低于1高斯。傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機(jī)、火車、汽車。其它應(yīng)用包括磁羅盤、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實(shí)景中的頭部軌跡跟蹤。

- 導(dǎo)航功能

磁傳感器最初是利用其磁性來作為航海指南針。磁傳感器和加速度計(jì)可以組成電子羅盤，是測量方位角比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。如今電子羅盤廣泛應(yīng)用于汽車和手持電子羅盤，手表，手機(jī)，對(duì)講機(jī)，雷達(dá)探測器，望遠(yuǎn)鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器(穆斯林鐘)，手持 GPS 系統(tǒng)，尋路器，武器/導(dǎo)彈導(dǎo)航(航位推測)，位置/方位系統(tǒng)，安全/定位設(shè)備，汽車、航海和航空的高性能導(dǎo)航設(shè)備，電子游戲機(jī)設(shè)備等需要方向或姿態(tài)顯示的設(shè)備。

- 車輛管制功能

由于地球是個(gè)巨大的磁場，當(dāng)車輛這類大磁體通過時(shí)，會(huì)引起地磁場局部的擾動(dòng)。磁傳感器可以探測到車輛的存在，行駛方向，行駛速度，車輛大小等。因此，地下車庫可以計(jì)算剩余車位數(shù)量，可以監(jiān)測道路車流量情況，為人們的出行提供道路和停車信息。

- 地磁探測

各向異性磁阻傳感器可以用來辨別埋藏物質(zhì)的。磁阻傳感器是利用薄膜合金遇到磁場會(huì)產(chǎn)生磁阻值變化的性質(zhì)，當(dāng)電橋遇到不同強(qiáng)度的磁場時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的電壓輸出，將磁性信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。