磁阻传感器以及磁场测量

北航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

第一作者： 13271138 卢 杨 第二作者： 13271127 刘士杰 所在院系： 化学与环境学院 2014年5月27日星期三

摘要

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或磁场变化，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。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。

关键词：磁阻传感器；磁电转换；赫姆霍兹线圈；车辆检测；罗盘

目录

一、实验目的............................................................................................................................................... 4 二、实验原理............................................................................................................................................... 4 三、实验仪器介绍 ....................................................................................................................................... 5 四、实验内容............................................................................................................................................... 8 1.测量前的准备工作................................................................................................................................ 8 2.磁阻传感器特性测量............................................................................................................................ 8 a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 .................................................................................................... 8 b.测量磁阻传感器的各向异性特性 .................................................................................................... 9 3.赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 ............................................................................................................ 9 a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 ........................................................................................... 9 b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 ............................................................................................... 11 4．地磁场测量 ...................................................................................................................................... 12 五、实验数据及数据处理 ......................................................................................................................... 13 1.磁阻传感器特性测量.......................................................................................................................... 13 a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 .................................................................................................. 13 b．测量磁阻传感器的各向异性特性 ............................................................................................... 14 2．赫姆霍兹线圈的磁场分布测量 ....................................................................................................... 15 a．赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 ....................................................................................... 15 b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量 ............................................................................................... 16 3．地磁场测量 ...................................................................................................................................... 17 六、误差分析与思考题 ............................................................................................................................. 17 1、误差分析 .......................................................................................................................................... 17 2、思考题 .............................................................................................................................................. 18 七、实验中注意事项及改进方法 ............................................................................................................. 19 1、注意事项 .......................................................................................................................................... 19 2、实验改进 .......................................................................................................................................... 19 八、总结与收获......................................................................................................................................... 20 九、原始数据照片 ..................................................................................................................................... 20

一、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

二、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θ角时，电阻可表示为：

R = Rmin＋(Rmax－Rmin)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＝Vb×ΔR/R （1）

式中Vb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。

三、实验仪器介绍

实验仪结构如图2所示，核心部分是磁阻传感器，辅以磁阻传感器的角度、位置调节及读

磁阻传感器盒 传感器轴向移动锁紧螺钉 赫姆霍兹线圈 传感器横向移动锁紧螺钉 传感器绕轴旋转锁紧螺钉 传感器水平旋转锁紧螺钉 线圈水平旋转锁紧螺钉 信号接口盒 仪器水平调节螺钉 图2 磁场实验仪