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第３１卷第４期大学物理实验Ｖｏｌ.３１Ｎｏ.４２０１８年８月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＡｕｇ.２０１８收稿日期:２０１８￣０４￣１９∗通讯联系人文章编号:１００７￣２９３４(２０１８)０４￣０００９￣０４基于各向异性磁阻传感器灵敏度与分辨率的探讨黄少楚ꎬ冯晓明ꎬ卢丽卿ꎬ谭诗谣ꎬ陈嘉华ꎬ曾育锋∗(华南师范大学ꎬ广东广州㊀５１０００６)摘要:阐述了一种针对ＺＫＹ￣ＣＣ各向异性磁阻(ＡＭＲ)传感器灵敏度与分辨率的测量方法ꎮ通过改变传感器周围磁场来探究毫特斯拉计显示数值和ＡＭＲ传感器电压显示值之间的关系ꎬ确定出ＡＭＲ传感器在不同放大倍数下的灵敏度与分辨率ꎬ同时测定出参考的数值表ꎮ由此ꎬ使用者能够在未知放大倍数的条件下使用仪器进行磁场的测量ꎬ从而提高了ＡＭＲ传感器的使用效果ꎬ保证仪器能够更好地服务于相关的科技活动ꎮ关键词:ＡＭＲ磁阻传感器ꎻ灵敏度ꎻ分辨率中图分类号:Ｏ４￣３４文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１８.０４.００３㊀㊀各向异性磁阻(ＡＭＲ)传感器是以磁电阻效应为原理的新型磁敏元件ꎬ是传感器技术的一个重要组成部分ꎬ它具有微型化㊁高灵敏度㊁体积小㊁低功耗㊁可靠性高㊁易集成㊁易批量生产等优点[１ꎬ２]ꎮ目前ꎬＡＭＲ传感器被广泛应用于磁场测量㊁电流测量㊁角度测量和导航定向ꎬ其应用的领域包括航天㊁航空㊁卫星通信等[３ꎬ４]ꎮ可见ꎬＡＭＲ传感器有较高的研究应用价值ꎮＺＫＹ￣ＣＣ各向异性磁阻传感器与磁场测量仪可以针对不同的磁场进行测量并且会以电压大小的形式显现出来ꎬ其测量同样具有高灵敏度ꎮ而在对ＺＫＹ￣ＣＣ各向异性磁阻传感器与磁场测量仪实验原理的研究中发现ꎬ仪器的灵敏度和分辨率会随着使用人员选择的放大倍数不同而产生变化ꎮ现有的仪器需要选到特定的放大倍数下才会有已知的电压输出值与磁场测量值的关系ꎬ使用者需根据说明书进行繁杂的调整过程后才能得到具体的电压输出值与磁场测量值关系ꎬ需要消耗一定的时间ꎮ因此ꎬ本文提出了一种针对该仪器在不同的放大倍数下的灵敏度和分辨率测量方法ꎮ通过该方法ꎬ可以测量出该仪器在不同的放大倍数下的灵敏度与分辨率ꎬ寻找出不同放大倍数下仪器感应到的磁场的大小值和仪器电压输出值的关系ꎮ同时ꎬ本文还针对放大倍数最大值与放大倍数最小值下二者的关系进行测定ꎬ给出具体的关系数值ꎮ１㊀实验原理１.１㊀各向异性磁阻传感器的原理ＡＭＲ各向异性磁阻的基本单元是用一种长而薄的沉坡莫合金(Ｎｉ８０￣Ｆｅ２０)并且使用半导体工艺沉积在硅衬底上制成的[５]ꎮ它是一种可接受磁信号ꎬ并可按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置[６]ꎮ如果沉积时存在外加的磁场ꎬ则会形成易磁化轴方向ꎮ铁磁材料的电阻受电流和磁化方向的夹角影响ꎮ当电流方向和磁化方向互相平行时ꎬ铁磁材料的电阻为最大值Ｒｍａｘꎬ当它们互相垂直时ꎬ铁磁材料的电阻为最小值Ｒｍｉｎꎬ当它们成θ角时ꎬ铁磁材料的电阻表示为:Ｒ＝Ｒｍｉｎ＋(Ｒｍａｘ－Ｒｍｉｎ)ｃｏｓ２θ在磁阻传感器中ꎬ为了避免温度变化等因素对电桥输出产生影响ꎬ在传感器的组成上由４个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥ꎮ如图１所示ꎬ在电桥中电流方向与易磁化轴方向的夹角为４５ʎꎮ理论分析和实验表明ꎬ当采用４５ʎ偏置磁场并且沿与易磁化轴垂直的方向施加外磁场时ꎬ电桥的输出与外加磁场强度呈线性关系ꎮ图１㊀惠斯通电桥示意图当无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时ꎬ电桥的４个桥臂电阻阻值相同ꎬ电桥输出为零ꎮ当在磁敏感方向施加如图１所示方向的磁场时ꎬ合成磁化方向将在易磁化方向的基础上进行逆时针方向的旋转ꎮ当左上和右下桥臂电流方向与磁化方向的夹角增大ꎬ电阻减小ΔＲꎻ当右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小ꎬ电阻增大ΔＲꎮ在对电桥的基本原理分析后可知ꎬ电桥的输出电压表示值为:Ｕ＝ＶｂˑΔＲ/Ｒ式中Ｖｂ为电桥工作电压ꎬ为一恒定值ꎬＲ为电桥的桥臂电阻ꎬΔＲ/Ｒ为磁阻阻值的相对变化率ꎮ而磁阻阻值的相对变化率ΔＲ/Ｒ为与外加磁场强度Ｂ成正比ꎬ即:ΔＲＲɖＢ由此可以看出ꎬＡＭＲ磁阻传感器的输出电压Ｕ与外加磁场强度Ｂ成正比ꎬ因此可利用磁阻传感器测量磁场ꎮＵ＝ＫˑＢ其中Ｋ为常数ꎬ即仪器的灵敏度ꎬ与仪器中放大器的放大倍数有关ꎮ当仪器放大倍数旋钮拧至最右端时ꎬ有放大倍数最大值ꎬ对应Ｋ的最大值ꎻ当仪器放大倍数旋钮拧至最左端时ꎬ有放大倍数最小值ꎬ对应Ｋ的最小值ꎮ１.２㊀仪器灵敏度与分辨率[７￣１０]传感器灵敏度是指传感器对被测量变化的反应能力ꎬ是传感器的基本指标ꎮ传感器输出的变化量Δｙ与引起该变化量的输入变化量Δｘ之比即为其灵敏度Ｋꎬ其表达式为:Ｋ＝Δｙ/Δｘ通过上述分析ꎬ在ＡＭＲ磁阻传感器中ꎬ由于使用者可能会根据实际情况选用不同的放大倍数ꎬ因此会带来不同的仪器灵敏度Ｋꎮ当放大倍数调整至最大或者最小时ꎬ仪器可得到一个最高或最低的灵敏度ꎬ但对应的数值是未知的ꎬ因此需要进行测量ꎮ而传感器的分辨率表示传感器能检测到输入量的最小变化能力ꎬ当传感器的输入量缓慢变化ꎬ超过某一增量时ꎬ传感器才能够检测到输入量的变化ꎮ在ＡＭＲ磁阻传感器中ꎬ其分辨率表示能检测到的最小磁场变化量ꎮ由于灵敏度乘以输出量的最小值等于分辨率ꎬ因此需要先根据定义算出灵敏度ꎬ再根据这个关系得到分辨率ꎮ２㊀探究过程与结果针对ＺＫＹ￣ＣＣ各向异性磁阻传感器(ＡＭＲ)的放大器为最大放大倍数㊁最小放大倍数㊁仪器说明书参考倍数这３情况下进行探究ꎮ实验中使用磁铁来提供磁场ꎬ并且结合毫特斯拉计进行辅助使用ꎬ使毫特斯拉计探头与ＡＭＲ磁阻传感器探头测量位置与测量方向一致ꎬ其装置图见图２ꎮ图２㊀装置示意简图将磁铁放在迈克尔逊干涉仪的拖板上ꎬ调节粗调手轮使拖板进行微小位移的移动ꎬ以改变磁铁与磁阻传感器之间的距离ꎬ进而改变磁阻传感器感应到的磁场大小ꎮ在磁场测量仪输出端的电压显示值Ｕ发生变化的瞬间ꎬ记录此时毫特斯拉０１基于各向异性磁阻传感器灵敏度与分辨率的探讨计显示的数值Ｂꎬ重复实验并记录数据ꎬ分析得到两者的关系ꎮ在多次测量取平均值后ꎬ将ＡＭＲ传感器放大倍数为最大值时的数据于ＭＡＴＬＡＢ软件中使用曲线拟合工具箱(ＣｕｒｖｅＦｉｔｔｉｎｇＴｏｏｌｂｏｘ)做曲线拟合[１１]ꎬ以Ｕ为横轴ꎬ以Ｂ为纵轴ꎬ拟合出Ｂ￣Ｕ曲线ꎬ见图３ꎮ图３㊀放大倍数最大值下的Ｂ￣Ｕ图㊀㊀该曲线的拟合方程为Ｂ＝０.３６２１Ｕ＋０.０１０４ꎻ相关系数为０.９９９ꎬ可知其拟合的效果特别好ꎮ通过对拟合方程的斜率进行分析ꎬ可知在放大倍数为最大值的情况下ꎬ传感器的灵敏度为０.３６２１ｍＴ/ｍＶꎻ而由于仪器电压的输出最小值为０.００１ｍＶꎬ所以可知在该放大倍数下传感器的分辨率为３.６２１ˑ１０－４Ｔꎮ而在选用不同的放大倍数下ꎬ亦可选用此方法寻找出传感器的灵敏度与分辨率ꎬ确定出该传感器电压输出值Ｕ和感应到的磁场Ｂ之间的关系ꎮ在同样条件下ꎬ对放大倍数为说明书参考值㊁最大值㊁最小值的３种情况再次实验ꎬ得到如下结果ꎬ见表１ꎮ表１㊀不同放大倍数下灵敏度测定值放大倍数最小值说明书参考倍数(５０倍)最大值灵敏度/ｍＴ/ｍＶ０.１４０２０.２５０４０.３６２１分辨率/ˑ１０－４Ｔ１.４０２２.５０４３.６２１在该方法的基础上ꎬ在说明书参考倍数下的所得结果与说明书提供参考值相同ꎬ因此可知该方法的测量结果具有很高的准确度ꎮ由此ꎬ仪器使用者可以通过将放大倍数旋钮拧至最大值或最小值后参考此表直接使用仪器进行测量ꎬ避免了调节仪器带来的不便ꎮ３㊀结㊀论本文研究了ＡＭＲ磁阻传感器的原理以及针对该传感器提出一种确定传感器灵敏度与分辨率的方法ꎮ该方法可以在仪器选用不同的放大倍数时ꎬ确定出仪器输出电压值Ｕ和感应到的磁场值Ｂ之间的关系ꎮ通过此方法ꎬ仪器使用者不需要再遵循仪器指导书不断调整仪器参数至固定的放大倍数后再确定Ｕ和Ｂ的关系ꎬ而是可以在未知的放大倍数下直接得到Ｕ和Ｂ的具体关系ꎮ此外ꎬ本文还测定出放大倍数为最大值或最小值下的仪器输出电压值Ｕ和感应到的磁场值Ｂ之间的关系ꎬ使得后续的仪器使用者可以通过查阅表格后快速进行测量ꎬ从而提高效率ꎮ因此ꎬ该方法有助于ＡＭＲ磁阻传感器的拓展应用ꎬ为后续的仪器使用提供便利ꎮ参考文献:[１]㊀张晓明ꎬ杨国欢ꎬ赖正喜ꎬ等.各向异性磁电阻传感器高精度测试技术[Ｊ].测试技术学报ꎬ２０１５(１):７３￣７７.[２]㊀曹育锋ꎬ卢丽卿ꎬ谭诗谣ꎬ等.基于ＡＭＲ测直流电流的探究[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１８(１):９￣１２.１１基于各向异性磁阻传感器灵敏度与分辨率的探讨[３]㊀周勋ꎬ梁冰清ꎬ唐云俊ꎬ等.磁电阻效应的研究进展[Ｊ].物理实验ꎬ２０００ꎬ２０(９):１３￣１６.[４]㊀王帅英.用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究[Ｄ].华中科技大学ꎬ２００８.[５]㊀裴轶ꎬ虞南方ꎬ刘奇ꎬ等.各向异性磁阻传感器的原理及其应用[Ｊ].仪表技术与传感器ꎬ２００４(８):２６￣２７＋３２.[６]㊀陈雁.各向异性磁电阻传感器的研究[Ｄ].中国科学院研究生院:电子学研究所ꎬ２００６.[７]㊀赵福海.桥臂电阻对惠斯通电桥灵敏度的影响[Ｊ].绵阳师范学院学报ꎬ１９９９(５):３０￣３３. [８]㊀孙传友ꎬ吴爱平.感测技术基础[Ｍ].电子工业出版社ꎬ２０１５:７８￣９３.[９]㊀李希胜ꎬ刘艳霞ꎬ康瑞清ꎬ等.各向异性磁阻传感器灵敏度在线辨识技术[Ｊ].北京科技大学学报ꎬ２０１１ꎬ３３(７):８９５￣８９８.[１０]谢晓芳.测量仪器的特性评定以及计量报告的使用[Ｊ].玻璃钢ꎬ２０１２(４):２５￣２７.[１１]胡庆婉.使用ＭＡＴＬＡＢ曲线拟合工具箱做曲线拟合[Ｊ].电脑知识与技术ꎬ２０１０(２１):５８２２￣５８２３.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆＡＭＲＨＵＡＮＧＳｈａｏ￣ｃｈｕꎬＦＥＮＧＸｉａｏ￣ｍｉｎｇꎬＬＵＬｉ￣ｑｉｎｇꎬＴＡＮＳｈｉ￣ｙａｏꎬＣＨＥＮＪｉａ￣ｈｕａꎬＺＥＮＧＹｕ￣ｆｅｎｇ∗(ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｔｄｅｓｃｒｉｂｅｓａｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆＺＫＹ￣ＣＣａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ(ＡＭＲ)ｓｅｎｓｏｒｓ.ＢｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｒｏｕｎｄｔｈｅｓｅｎｓｏｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｓｐｌａｙｅｄｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｍｉｌｌｓｔｏｎｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｙｖａｌｕｅｏｆｔｈｅＡＭＲｓｅｎｓｏｒｖｏｌｔａｇｅꎬｗｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｓｅｎｓｉ￣ｔｉｖｉｔｙａｎｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡＭＲｓｅｎｓｏｒａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ.Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｅｎａｂｌｅｓｔｈｅｕｓｅｒｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕ￣ｍｅｎｔｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｕｓｉｎｇｔｈｅｓｅｎｓｏｒｕｎｄｅｒｕｎｋｎｏｗｎｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｕｓｅｏｆＡＭＲｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｈｅｌｐｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｂｅｔｔｅｒｓｅｒｖｅｒｅｌａｔｅｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＡＭＲｒｅｌｕｃｔａｎｃｅｓｅｎｓｏｒꎻｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙꎻｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ２１基于各向异性磁阻传感器灵敏度与分辨率的探讨。
“磁场传感器”资料汇总目录一、闭环结构AMR磁场传感器关键技术研究二、磁场传感器三、基于巨磁阻抗效应的弱磁场传感器的研究四、质子磁场传感器及其信号调理电路研究五、集成光学电磁场传感器研究六、MEMS悬臂梁磁场传感器与谐振悬臂梁电磁驱动技术闭环结构AMR磁场传感器关键技术研究随着科技的快速发展，对磁场传感器的需求日益增长。
其中，闭环结构AMR（Anisotropic Magnetoresistance，各向异性磁电阻）磁场传感器由于其高精度、高稳定性以及良好的温度稳定性，在导航、自动驾驶、机器人等领域有着广泛的应用。
本文将重点讨论闭环结构AMR磁场传感器的关键技术。
闭环结构AMR磁场传感器利用磁性材料的各向异性磁电阻效应，将磁场的变化转化为电阻的变化，进而通过闭环反馈系统，将电阻的变化转化为电信号输出。
各向异性磁电阻效应是指，当电流沿某一特定方向通过磁性材料时，材料在垂直于电流方向的平面内表现出磁电阻效应。
在闭环结构中，这个电信号通过反馈系统，控制电流的方向和大小，使电阻的变化与磁场的变化保持一致，从而实现高精度的磁场测量。
磁性材料的选择：选择具有高各向异性磁电阻效应的材料是关键。
目前，常见的磁性材料包括过渡金属合金、氧化物、碳化物等。
这些材料中，一些合金如NiFe、CoFe等表现出优秀的磁电阻效应。
通过调整材料的成分和结构，可以进一步提高其磁电阻效应。
敏感结构的设计：敏感结构是实现磁电阻效应的核心部分。
它通常由多层薄膜结构构成，通过调整各层薄膜的厚度和材料，可以优化敏感结构的性能。
采用微纳加工技术，可以制作出具有高灵敏度和高稳定性的敏感结构。
闭环反馈系统的设计：闭环反馈系统是实现高精度测量的关键。
它通常由放大器、比较器、逻辑控制器等组成。
反馈系统的设计需要考虑到系统的稳定性、快速响应性以及抗干扰能力等因素。
通过优化反馈系统的设计，可以提高传感器的测量精度和稳定性。
温度稳定性的提高：温度对AMR磁场传感器的性能影响较大。
磁阻传感器在闪电磁场探测中的应用冯婉悦;徐新明;高原;王龙;王智敏;张阳【摘要】为进一步补充和完善现有的闪电磁场观测设备,文中介绍了一种基于磁阻传感器HMC1002的磁场测量系统,实现了对闪电磁场波形的快速采集存储.文章重点阐述了磁阻传感器的基本原理和探测系统的结构组成,通过在广东省从化地区开展的野外人工触发闪电和自然闪电观测试验的测试,分别获得了完整的触发闪电和自然闪电的磁场波形数据,通过与正交环形天线同步观测磁场数据的比较,发现两者数据一致性较好,表明了该系统可以对闪电磁场进行有效测量.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2017(034)002【总页数】5页(P30-34)【关键词】磁阻传感器;探测系统;正交环形天线;磁场【作者】冯婉悦;徐新明;高原;王龙;王智敏;张阳【作者单位】新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心,乌鲁木齐830002;新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心,乌鲁木齐830002;新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心,乌鲁木齐830002;新疆维吾尔自治区气象技术装备保障中心,乌鲁木齐830002;新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室,乌鲁木齐830002;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TH765闪电是一种自然现象，发生时伴随着强电磁脉冲(LEMP)，闪电的电磁干扰一直受到人们的关注，特别是近年来随着电力电子技术的快速发展，电力设施以及微电子集成电路对强电磁干扰的敏感程度越来越高，人们对雷电所产生的危害认识越来越深刻[1]。
雷电产生的强电磁辐射是产生间接雷电灾害的重要部分，深入研究其特征对于研究雷电的物理特征和雷电防护来说是非常必要的。
1975年Krider等[2]利用同轴电缆绕制成环形天线，后端利用模拟积分器的方法测量闪电磁场，这种方法后来被广泛采用。
1992年周忠华等[3]制作了磁场测量系统，其后端系统探测电路较为复杂，而且对频带限制较大，带宽在1 kHz以下。
华中科技大学硕士学位论文用于地磁测量的各向异性磁阻传感器研究姓名：王帅英申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：杨晓非20080530华中科技大学硕士学位论文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。
本文以各向异性磁阻传感器（AMR sensor）作为研究对象，结合地磁测量的相关要求，对各向异性磁阻效应原理以及各向异性磁阻传感器的薄膜制备、器件结构设计、器件制备工艺等方面的内容进行了研究和探讨，主要内容包括以下几个方面：首先，在分析了各向异性磁阻效应原理的基础上，综述了各向异性磁阻材料的研究现状，并结合地磁场的特点，讨论了各向异性磁阻传感器的特性参数以及用于地磁测量的优势和挑战。
其次，在传感器材料方面，本文采用磁控溅射的方法制备了AMR薄膜，分别对膜层结构、薄膜厚度、退火温度等因素进行了研究。
利用NiFeCr或Al2O3作为辅助种子层、退火工艺对薄膜性能进行了优化，分析并讨论了材料本身和工艺方面对实验结果的影响。
实验制备出磁阻曲线光滑且峰值明显的磁阻材料，最大磁阻系数为1.5%。
最后，在器件结构方面，本文分别对惠斯通电桥、barber 电极、置位/复位电流带和偏置电流带等结构的设计思路进行了研究和探讨，然后利用L-edit设计了磁阻单元、惠斯通电桥和置位/复位电流带的掩膜版，讨论并梳理了器件制备的工艺流程。
关键词：地磁场各向异性磁阻传感器坡莫合金（Ni83Fe17）89Cr11 Al2O3华中科技大学硕士学位论文AbstractAs one of the important earth resources, the geomagnetic field is closely linked with the modern production and life. It is needed for many aspects such as the geosciences, aeronautics, astronautics, resource probing, transportation, national defense construction, earthquake prediction and so forth. However all the above mentioned are based on weak magnetic sensors to detect the geomagnetic field which changes with time and space. The anisotropic magnetoresistive sensor (AMR sensor) has the merits of high sensitivity, high reliability, good linearity, low power consumption, easy miniaturization and so on. Therefore, it is very important to improve or optimize the performances of the AMR sensor to satisfy the requirements of geomagnetic measurement. In regard to the requirements to detect the geomagnetic field, the principles, the material and the structures of the anisotropic magnetoresistive sensors were studied in the thesis. The main contents are as follows:Firstly, with the principle of the anisotropic magnetoresistance effect, current research progress of the anisotropic magnetoresistance material was introduced. Then based on the characteristics of geomagnetic field, the pros and cons of the application of AMR sensors in the geomagnetic field measurement were discussed.Secondly, the anisotropic magnetoresistance films (Permalloy films) were prepared with magnetron sputtering method. And their structure, thickness and annealing temperature were studied. The Permalloy films were optimized with NiFeCr or Al2O3 as assisted seed layers and annealing technique. Measurement showed that the magnetoresistance curve of the material was quite smooth, and obvious peaks were found. The best magnetoresistance coefficient (R/ R) of the material reached a maximum of 1.5%.In the last chapter, the structure of the AMR sensor, including the wheatstone bridge, barber pole and current strap was investigated, and the lithography masks were designed with L-edit, also the process for the devices preparation and lithography process were stated.Keywords: Geomagnetic field Anisotropic magnetoresistive sensorPermalloy film （Ni83Fe17）89Cr11Al2O3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
一种基于各向异性磁阻（AMR）技术的角位移传感器的原理
及设计方案
罗炳海;王剑萍
【期刊名称】《电子制作》
【年(卷),期】2014(000)005
【摘要】采用各向异性磁阻（AMR）传感器敏感磁场位置，逐渐成为一种非接触测量运动物体位置的常用方法。
本文运用AMR固态敏感元件设计一种角位移传感器，并利用MATLAB仿真软件进行原理仿真。
【总页数】2页(P22-23)
【作者】罗炳海;王剑萍
【作者单位】中国人民解放军驻二一二厂军事代表室陕西宝鸡 721006;陕西宝成航空仪表有限责任公司陕西宝鸡 721006
【正文语种】中文
【相关文献】
1.各向异性磁阻传感器的原理及其应用 [J], 裴轶;虞南方;刘奇;刘进
2.基于AMR磁阻传感器的金属材料表面微细裂纹定量化研究 [J], 倪润哲;王德山;黄旭
3.基于磁阻技术的角位移传感器设计 [J], 任利纳
4.基于PI闭环控制的AMR磁阻传感器信号调理电路 [J], 谭超;杨哲;潘礼庆;龚晓辉;乐周美
5.基于磁阻技术的角位移传感器设计 [J], 任利纳
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物理实验报告2014物理学专业实验题目:_ 各项异性磁阻效应及磁场测量姓名: 柯铭沣学号:____135012014071___________日期:__2015_年__9___月__28___日实验 各向异性磁阻传感器及磁场测量[实验目的]1、掌握各向异性磁阻传感器的原理和特性；2、掌握各向异性磁阻传感器测量磁场的基本原理和测量方法。
[实验仪器]磁场测试仪，主要包括底座、转轴、带角刻度的转盘、磁阻传感器的引线、亥姆霍兹线圈、磁场测试仪控制主机(数字式电压表、5 V 直流电源等)。
[实验原理]1、各向异性磁阻传感器一定条件下，导电材料的电阻值R 随磁感应强度B 变化的规律称为磁阻效应。
当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛伦兹力的作用而发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，使得沿电场方向的电流密度减小，电阻增大。
（具体原理详见实验39“半导体材料的磁电阻效应研究”）。
各向异性磁阻传感器(Anisotropic Magneto-Resistive sensors, AMR) 是由沉积在硅片上的坡莫合金( Ni 80Fe 20) 薄膜形成的电阻，如图1所示。
除了具有磁阻效应，由于在沉积时外加磁场，AMR 形成易磁化方向，即当外加磁场偏离合金的内部磁化方向时，材料电阻减小，这就是各向异性磁阻效应。
AMR 的电阻与材料所处环境磁化强度M 和电流I 方向间的夹角有关，电流和磁化方向平行时电阻最大为R max ，而电流与磁化方向垂直时电阻最小为R min ，则电流和磁化方向成θ时, 电阻可表示为：()θ2min max min cos R R R R -+= (1)图1磁阻传感器的构造示意图 图2磁阻传感器内部结构为了消除温度等外界因素的影响，本实验所用的磁阻传感器是一种单边封装的磁场传感器，传感器由四条铁镍合金磁电阻组成一个非平衡电桥，非平衡电桥输出部分接集成运算放大器，将信号放大输出，内部结构如图2所示。
实用标准文档大全实验10.1 各向异性磁电阻测量南京大学物理学院一、实验目的（1）初步了解磁性合金的各向异性磁电阻（AMR）；（2）初步掌握室温磁电阻的测量方法。
二、实验原理一些磁性金属和合金的AMR与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和的过程相应的电阻变化。
外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，即有各向异性。
通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR。
即有(0)?????及(0)???????。
若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则//(0)1/3(2)av????????。
对于大多数材料(0)???，故实用标准文档大全0012avavavavavavavav?????????????????????????AMR常定义为：000AMR???????????????如果0av???，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。
图1是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显(0)???，(0)????，各向异性明显。
图中的双峰是材料的磁滞引起的。
图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。
图1 Ni81Fe19薄膜的磁电阻曲线实用标准文档大全图2 一些铁磁金属与合金薄膜的AMR曲实线和曲线分别表示横向和纵向的磁电阻二、实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字微伏表、四探针样品夹具。
四、实验内容1. 方法（1）将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。
对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系：20()cos????????其中?是磁场方向与电流方向的夹角。
为保证电流有一确定方向，常用的方法是：①将样品刻成细线，使薄膜样实用标准文档大全品的宽度远远小于长度。
②用平行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的。
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AE2013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。
四、实验仪器介绍磁场实验仪（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），指南针实验仪结构如图2所示，核心部分是磁阻传感器，辅以磁阻传感器的角度、位置调节及读数机构，赫姆霍兹线圈等组成。
本仪器所用磁阻传感器的工作范围为±6高斯，灵敏度为1mV/V/Guass 。
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 。
磁阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁场强度时还需考虑放大器的放大倍数。
本实验仪电桥工作电压5V ，放大器放大倍数50，磁感应强度为1高斯时，对应的输出电压为0.25伏。
赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。
两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离d 正好等于圆形线圈的半径R 。
这种线圈的特点是能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，根据毕奥－萨伐尔定律，可以计算出赫姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度为：003/285NI B Rμ=⋅ 式中N 为线圈匝数，I 为流经线圈的电流强度，R 为赫姆霍兹线圈的平均半径，m H /10470-⨯=πμ为真空中的磁导率。
采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单磁阻传感器盒传感器轴向移动锁紧螺钉 传感器绕轴旋转锁紧螺钉传感器水平旋转锁紧螺钉 赫姆霍兹线圈 传感器横向移动锁紧螺钉 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 磁场实验仪位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）。
本实验仪N＝310，R＝0.14m，线圈电流为1mA时，赫姆霍兹线圈中部的磁感应强度为0.02高斯。
实验仪的前面板示意图如图3所示。
恒流源为赫姆霍兹线圈提供电流，电流的大小可以通过旋钮调节，电流值由电流表指示。
电流换向按钮可以改变电流的方向。
补偿(OFFSET)电流调节旋钮调节补偿电流的方向和大小。
电流切换按钮使电流表显示赫姆霍兹线圈电流或补偿电流。
传感器采集到的信号经放大后，由电压表指示电压值。
放大器校正旋钮在标准磁场中校准放大器放大倍数。
复位（R/S）按钮每按下一次，向复位端输入一次复位脉冲电流，仅在需要时使用。
五、实验内容1、测量前的准备工作连接实验仪与电源，开机预热20分钟。
图3 仪器前面板示意图将磁阻传感器位置调节至赫姆霍兹线圈中心，传感器磁敏感方向与线圈轴线一致。
调节赫姆霍兹线圈电流为零，按复位键恢复传感器特性，调节补偿电流以补偿地磁场等因素产生的偏离，使传感器输出为零。
调节赫姆霍兹线圈电流至300mA （线圈产生的磁感应强度6高斯），调节放大器校准旋钮，使输出电压为1 .500伏。
2.磁阻传感器特性测量a. 测量磁阻传感器的磁电转换特性磁电转换特性是磁阻传感器最基本的特性。
磁电转换特性曲线的直线部分对应的磁感应强度，即磁阻传感器的工作范围，直线部分的斜率除以电桥电压与放大器放大倍数的乘积，即为磁阻传感器的灵敏度。
数据从300mA 逐步调小赫姆霍兹线圈电流，记录相应的输出电压值。
切换电流换向开关（赫姆霍兹线圈电流反向，磁场及输出电压也将反向），逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。
注意：电流换向后，必须按复位按键消磁。
b. 测量磁阻传感器的各向异性特性AMR 只对磁敏感方向上的磁场敏感，当所测磁场与磁敏感方向有一定夹角α时，AMR 测量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。
由于补偿调节是在确定的磁敏感方向进行的，实验过程中应注意在改变所测磁场方向时，保持AMR 方向不变。
将赫姆霍兹线圈电流调节至200mA ，测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电压。
松开线圈水平旋转锁紧螺钉，每次将赫姆霍兹线圈与传感器盒整体转动10度后锁紧，松开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器盒向相反方向转动10度（保持AMR 方向不变）后锁紧，记录输出电压数据于表中。
3.赫姆霍兹线圈的磁场分布测量赫姆霍兹线圈能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场。
a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量根据毕奥－萨伐尔定律，可以计算出通电圆线圈在轴线上任意一点产生的磁感应强度矢量垂直于线圈平面，方向由右手螺旋定则确定，与线圈平面距离为X 1的点的磁感应强度为：201223/21()2()R IB x R x μ=+赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。
两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈匝数为N ，线圈之间的距离d 正好等于圆形线圈的半径R ，若以两线圈中点为坐标原点，则轴线上任意一点的磁感应强度是两线圈在该点产生的磁感应强度之和：2200223/2223/23/2023/223/2()2[()]2[()]22511{}1116[1()][1()]22NR I NR IB x R R R x R x B x x R R μμ=++++-=++++- 式中B 0是X ＝0时，即赫姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度。
表3列出了X 取不同值时B(X)/B 0值的理论计算结果。
调节传感器磁敏感方向与赫姆霍兹线圈轴线一致，位置调节至赫姆霍兹线圈中心（X ＝0），测量输出电压值。
