11131033 张阳 各向异性磁阻传感器(AMR)与地磁场测量

基础物理实验研究性报告

各向异性磁阻传感器（AMR）与地磁场测量Anisotropic magnetoresistance (AMR) sensors and the magnetic field measurement

第一作者张阳 Zhang Yang

学号 11131033

所在院系交通科学与工程学院STSE

攻读专业车辆工程AE

2013年5月19日星期日

目录

摘要 (3)

关键字 (3)

一、实验介绍 (3)

二、实验目的 (3)

三、实验原理 (4)

四、实验仪器介绍 (5)

五、实验内容 (6)

1、测量前的准备工作 (6)

2.磁阻传感器特性测量 (7)

3.赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 (7)

4．地磁场测量 (8)

六、数据处理 (9)

七．AMR传感器应用实例 (12)

<一> 作为移动电子产品的非接触开关 (12)

1、开闭检测 (12)

2、热水器等的流量检测 (桨叶旋转的检测) (13)

3、脉冲编码器 (环状磁铁的检测) (13)

<二>工作原理 (14)

基本特性 (14)

传感器内部构成图 (14)

防止间歇电震 (15)

AMR与类似产品的区别 (15)

与干簧管的区别 (17)

七．注意事项 (19)

八、实验改进 (19)

九．实验总结 (19)

十．参考文献 (20)

摘要地球磁场作为地球的基本资源之一,与人类生活、生产息息相关,它在地球科学、航空航天、资源探测、交通通讯、国防建设、地震预报等方面都有着重要的应用。鉴于地磁场的重要应用价值,人们对地磁场的测量提出了更高的要求和希望。选择或者设计一种符合地磁测量要求的弱磁传感器是问题的关键。由于各向异性磁阻传感器具有高灵敏度、高可靠性、良好线性、低功耗、易于微型化等优点,因而改进或者优化各向异性磁阻传感器的性能使其满足地磁测量的要求具有一定的现实意义。本文主要介绍各向异性磁阻传感器的工作原理、结构以及在地磁场测量中的应用，并包含数据处理、磁场分布图、误差分析、实验改进以及讨论感想。

关键字磁阻传感器，亥姆霍兹线圈，灵敏度，地磁场; 磁感应强度; 磁倾角

一、实验介绍

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。地磁场非常微弱，约10－5T 量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响．地磁场作为一种天然磁源，在地球物理、空间科学、生物医药、军事、工业、探矿等领域中有着重要用途．物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻

效应．对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化;当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应．新型坡莫合金( 铁镍合金) 制作的各向异性磁阻传感( 以下简称磁阻传感器) 由于体积小、灵敏度高、易安装等特点，因而在弱磁场测量方面有广泛应用前景．应用领域覆盖了磁场传感和磁力计、电子罗盘、线性和角位置传感器、钻孔测斜、车辆探测、GPS导航等许多领域，在信息技术中，也广泛用于磁卡感应等信号检测．本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。

二、实验目的

1．熟悉和了解AMR的原理

2．测量磁阻传感器的磁电转换特性和各向异性特性

3．测量赫姆霍兹线圈的磁场分布

4．测量地磁场磁场强度，磁倾角，磁偏角

三、实验原理

各向异性磁阻传感器AMR（Anisotropic 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。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R max最大，电流与磁化方向垂直时电阻R min最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：

R = R min＋(R max－R min)cos2θ

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

桥，结构如图1所示。图1中，易磁化轴方向与电

流方向的夹角为45度。理论分析与实验表明，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ΔR；

右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，

电阻增大ΔR。通过对电桥的分析可知，此时

输出电压可表示为：

U＝V b×ΔR/R （1）

式中V b为电桥工作电压，R为桥臂电阻，

ΔR/R为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场

强度成正比，故AMR磁阻传感器输出电压与

磁场强度成正比，可利用磁阻传感器测量磁场。

商品磁阻传感器已制成集成电路，除图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、补偿端两个功能性输入端口，以确保磁阻传感器的正常工作。

复位/反向置位端的作用是：当AMR置于超过其线性工作范围的磁场中时，磁干扰可能导致磁畴排列紊乱，改变传感器的输出特性。此时按下复位/反向置位端，通过内部电路沿易磁化轴方向产生强磁场，使磁畴重新沿易磁化轴方向整齐排列，恢复传感器的使用特性。

补偿端的作用是：当4个桥臂电阻不严格相等，或是外界磁场干扰，使得被测磁场为零而输出电压不为零时，此时可调节补偿电流，通过内部电路在磁敏感方向产生磁场，用人为的磁场偏置补偿传感器的偏离。