地磁场测量

坡莫合金磁阻传感器的特性研究和应用黄一菲3　郑　神3　吴　亮3　陆申龙(复旦大学物理系上海200433) 摘　要:介绍了坡莫合金型磁阻传感器的结构与工作原理,研究了该传感器的特性,并用它测量了地磁场的主要参量Ζ设计了一个消除此类磁阻传感器受强磁场干扰的电路,有利于坡莫合金集成磁阻器件的推广应用Ζ关键词:磁电阻效应;坡莫合金;脉冲电路;地磁场中图分类号:TM 937.1 文献标识码:A 文章编号:100524642(2002)0420045204Property and application of permalloy magnetoresistance sen sorHU AN G Y i 2fei ZH EN G Shen W U L iang LU Shen 2long(D ep artm en t of Physics ,Fudan U n iversity ,Shanghai ,200433)Abstract :T he structu re and op erati on p rinci p le of p erm alloy m agneto resistance sen so r are in troduced ,and its p rop erty is studied .T he m ain p aram eters of geom agnetic field are m easu red .T he circu it fo r eli m inating distu rbance of strong m agnetic field has been designed in o rder to pop u larize the p erm alloy m agneto resitance sen so r .Key words :m agneto resistance effect ;p erm alloy ;i m p u lse circu it ;geom agnetic field 399级本科生1　引　言坡莫合金磁阻传感器是利用铁磁材料坡莫合金(Fe 20N i 80)的各向异性磁电阻效应制作的一种能够测量磁场大小和方向的传感器Ζ这种传感器具有体积小,功耗低,灵敏度高,抗干扰能力强,可靠性高,易于安装等优点,在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、数字智能罗盘、位置测量、伪钞鉴别等方面显示出巨大的优越性,还能用来制作高精度的转速传感器、压力传感器、角位移传感器等,具有广阔的应用前景Ζ目前国外已大批量生产此类型的坡莫合金集成磁阻传感器,并在工业、航天、航海、医疗仪器等多种仪器仪表方面有着广泛应用Ζ本实验我们使用美国Honeyw ell 公司生产的HM C 1021Z 型磁阻传感器,它能够测量低至85×10-10T 的磁场,适合于弱磁场的测量Ζ本实验主要研究HM C 1021Z 型磁阻传感器的结构和特性,并用其进行地磁场主要参量较为准确的测量Ζ2　各向异性磁电阻效应物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁电阻效应Ζ磁电阻效应有基于霍尔效应的普通磁电阻效应和各向异性磁电阻效应之分Ζ对于强磁性金属(铁、钴、镍及其合金),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而变;当外加磁场偏离金属的内磁化方向时,金属的电阻减小,这就是各向异性磁电阻效应Ζ坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度M 和电流I 方向的夹角Η,即Θ(Η)=Θ⊥+(Θ∥-Θ⊥)co s 2Η(1)其中Θ∥,Θ⊥分别是平行于M 和垂直于M 时的电阻率Ζ由于坡莫合金(Fe 20N i 80)在弱磁场下的电阻变化量较大,因此适合于弱磁场条件下使用Ζ3　磁阻传感器的结构和工作原理3.1　传感器的结构HM C 1021Z 型磁阻传感器的核心部分是惠斯通电桥,该器件的4个电阻由带状坡莫合金薄膜制成,见图1和图2Ζ当外加磁场时,因坡莫合金具有各向异性的磁电阻效应,电桥电阻的阻值变化,导致传感器输出电压的变化Ζ传感器具有两个铝制的环状电流带,一个是置位和复位电流带(SET R ESET STRA P ),可用来修正传感器的灵敏度,也可用于置位和复位输出极性;另一个是补偿电流带(O FFSET STRA P ),用来抵消外界的环境磁场Ζ图1　磁阻传感器构造示意图图2　磁阻传感器内的惠斯通电桥3.2　传感器的工作原理1)传感器的基本部分若供给传感器内部的惠斯通电桥的工作电压为V b ,传感器的铁磁合金带的长度方向将通过一个电流,其中通过各个电阻的电流方向如图1所示Ζ在铁磁合金带的宽度方向施加磁场,导致对角上的两个电阻的内磁化方向朝着电流方向转动,Η角减小,电阻增大;另外两个电阻的内磁化方向背向电流转动,Η角增大,电阻减小Ζ靠电阻阻值的变化将外加磁感应强度转换成差动输出的电压,该输出电压可用下式表示V out =∃RRVb(2)其中,R 为薄膜电阻,∃R R 为阻值的相对变化量,V b 为传感器的工作电压Ζ由于坡莫合金的电阻变化,在0～0.8×10-4T 范围内,薄膜电阻相对变化量∃R R 与外加磁场的磁感应强度成平方关系,即∃R R =kB 2(k 为常量),传感器内部设计了1个很小的环状电流带,该电流带产生磁场补偿外界磁场,使该传感器线性工作范围从0开始,从而使该传感器能够测量低至10-3T 范围的弱磁场Ζ沿着传感器的宽度方向上的单位磁场的输出最大,灵敏度最高Ζ2)置位和复位电流带(SET R ESET STRA P )如果在传感器的敏感轴方向上施加超过10×10-4T 的磁场,会打乱传感器磁阻内部磁畴的极化方向,改变传感器的输出特性,使输出的信号变弱,灵敏度降低Ζ为消除这种历史上的“不良影响”,需要重新设置这些磁畴的极化方向来恢复传感器的灵敏度Ζ只要在置位和复位电流带上施加一个极短置位的脉冲(小于2Λs ),可使磁阻内部磁畴方向达到最大的统一,从而使灵敏度大幅度提高Ζ置位脉冲电路图见图3Ζ由于传感器的输出电压的极性取决于内部磁畴的极化方向,所以对传感器施加与置位脉冲方向相反的复位脉冲,能够使磁畴方向反转,对外表现为传感器输出的极性反转Ζ3)磁耦合环形补偿电流带(O FFSET STRA P )该环形电流带上每通过5mA 的电流,就相当于在外加磁场的方向提供10-4T 的磁场Ζ补偿电流带的作用主要是,通过在电流带上施图3　置位脉冲电路11电压输出负极　21电桥输入正极　31置位复位带正极　41接地　51置位 复位带负极　61补偿带正极71补偿带负极　81电压输出正极加一直流电流来抵消不需要的环境磁场Ζ例如,若在无屏蔽的环境中测量极弱的磁场,想达到很高的精度就可用补偿电流带来抵消地磁的影响Ζ除此之外,补偿电流带还有其他的用途,例如,自动校准传感器的增益,调整传感器工作于闭环状态下等Ζ应注意的是,传感器测量的是由环境磁场和电流带提供的磁场叠加后的磁场Ζ4　传感器的特性测量HM C 1021Z 型磁阻传感器的线性输出范围为±6×10-4T ,在此范围内,传感器的输出满足下列关系V out =SB +V 0(3)式中,V out 为传感器的输出电压,S 为传感器的灵敏度,B 为要测量的磁感应强度,V 0为外磁场为零时传感器自身的漂移输出Ζ测量装置如图4,用亥姆霍兹线圈来校准HM C 1021Z 型磁阻传感器的灵敏度Ζ亥姆霍兹线圈每个500匝,用数字式恒流源通电,轴线中间位置的磁感应强度由下式决定B =Λ0N I R 8532(4)图4　传感器特性测量装置式中N 为线圈匝数,I 为流经线圈的电流强度,R 为亥姆霍兹线圈的平均半径,Λ0为真空磁导率Ζ实验结果见表1Ζ表1　传感器特性测量实验结果V out mV -10.15-7.84-5.53-3.11-0.76B ×10-4T -2.225-1.780-1.335-0.890-0.445V out mV1.553.866.218.6310.94B×10-4T 00.4450.8901.3351.780 由表1作V out 2B 的直线拟合,得到HM C 1021Z 型数据磁阻传感器的灵敏度为52.7V T ,相关系数为0.9999,灵敏度远远高于目前普遍使用的霍尔传感器Ζ该传感器磁感应强度从0开始就是很好的线性输出,在极弱磁场的测量上,HM C 1021Z 型磁阻传感器相当优越Ζ被测磁场范围若大于±6×10-4T ,传感器将不能保持线性输出,它的灵敏度也随之降低Ζ此时就不能用作极弱磁场的测量,一旦出现这种情况,可使用前述的置位脉冲电路来恢复其原来的高灵敏度Ζ5　用磁阻传感器测量地磁场在5V 的标准工作电压下,HM C 1021Z 型磁阻传感器的灵敏度为52.7V T ,该传感器最基本的用途是测量弱磁场Ζ笔者用它测量了地磁场的4个参量:1)磁偏角Α,即地球表面任一点的地磁场磁感应强度矢量B 所在的垂直平面(地磁子午面)与地理子午面的夹角;2)磁倾角Β,即地磁场磁感应强度B 与水平面之间的夹角;3)地磁场磁感应强度的水平分量B ∥;4)地磁场磁感应强度的竖直分量B ⊥Ζ5.1　实验装置测量磁倾角Β和地磁场磁感应强度B 的装置,如图5所示Ζ图5中将磁阻传感器及转盘调到垂直水平位置放置,并使该测量装置底边L 沿着磁感应强度的水平分量B∥的方向Ζ5.2　实验方法图5　用磁阻传感器测量地磁场实验装置1)将传感器固定在转盘上,调整转盘至水平,旋转该转盘,找到传感器输出电压最大的方向1和输出电压最小方向2,画在白纸上Ζ测量这两个方向和正北方的夹角,记为Α1和Α2,可求出磁偏角Α=(Α1+Α2) 2Ζ这个方向也就是地磁场磁感应强度的水平分量B∥的方向Ζ2)将转盘调整至竖直面内,如图5所示,并使装置的底边L沿着B∥的方向放置,转动圆盘,记下传感器输出的最大位置1和最小位置2,以及输出的读数V1和V2Ζ3)用水平仪确定水平面的位置,量出最大测量值和最小测量值的位置和水平的夹角,分别记为Β1,Β2,则磁倾角Β=(Β1+Β2) 2Ζ4)根据(V1-V2) 2=SB及本传感器的灵敏度S为52.7V T,可算出地磁的磁感应强度大小Ζ5)地磁场的水平分量B∥=B co sΒ,竖直分量B⊥=B sinΒΖ5.3　实验结果测量结果如表2所示Ζ表2　用磁阻传感器测量地磁场实验结果12345平均值Α1 (°)12.813.012.612.612.912.8Α2 (°)12.012.212.012.211.912.1Β1 (°)43.746.148.347.247.046.5Β2 (°)51.848.845.247.247.848.2 V1 mV6.356.236.226.296.236.26V2 mV1.291.241.201.221.201.23 经过计算得出,地磁场的磁偏角Α=12.5°,磁倾角Β=47.4°,地磁场的水平分量B∥=0.323×10-4T,竖直分量B⊥=0.350×10-4 T,查有关资料,上海地区的地磁的水平分量B∥=0.331×10-4T,相对偏差为2.4%,磁倾角也和标准值接近Ζ6　结束语1)本实验研究了坡莫合金磁阻器件的结构和主要特性,证明了HM C1021Z型磁阻传感器在±6×10-4T的磁场范围内具有很好的线性输出,可以用来测量极弱的磁场Ζ给出了该传感器在受到强磁场干扰、灵敏度降低的情况下,如何将其重新置位,恢复原本的高灵敏度的方法Ζ2)传感器最基本的应用是测量弱磁场,本实验中用该传感器测量了地磁场的4个主要参量,得到了满意的测量结果Ζ实验中采用了测量地磁的“立体空间定位法”,实验仪器构造简单,实验方法易行,适合本科生的物理实验教学Ζ3)由于该传感器的线性工作范围是从0开始的,使用时无须考虑弱磁场情况下磁阻器件电阻的相对变化量∃R R与磁感应强度B的二次函数关系Ζ在弱磁场的测量上,该传感器具有优越的性能,除了用来测量弱磁场以外,还可应用于非接触式电流测量、伪钞检验、导航系统、交通车辆检测、医疗仪器、实验室仪器和探矿等领域中,具有十分广泛的应用前景Ζ7　参考文献1　黄昆,谢希德.半导体物理[M].北京:科学出版社, 19582　黄德星等.磁敏感器件及其应用[M].北京:科学出版社,19873　戴道生,钱昆明.铁磁学[M].北京:科学出版社, 19874　吴兴惠.敏感元器件及材料[M].北京:电子工业出版社,19925　Honeyw ell中国公司Ζ霍尼韦尔固态传感器说明书[Z].2001Ζ49～52(2002201206收稿)。