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各向异性磁阻传感原理及测量技术

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各向异性磁阻传感

各向异性磁阻传感
各向异性磁阻传感器和磁 场测量
刘文军
概 述
• 物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效 应，可制成磁阻传感器。 • 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。
实验仪器
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
磁场实验仪
实验原理
铁磁材料的电阻与电流及磁 化方向的夹角有关，电流与 磁化方向平行时电阻R最大， 电流与磁化方向垂直时电阻R 最小，电流与磁化方向成θ角 时，电阻可表示为：
磁阻传感器特性测量 a 测量磁阻传感器的磁电转换特性 • 按表1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 注意： 注意 向后，必须按复位按键消磁。 向后，必须按复位按键消磁。
表1 AMR磁电转换特性的测量
线圈电流(mA) 线圈电流 磁感应强度( 磁感应强度(高 斯) 输出电压(V) 输出电压(V) 30 0 6 250 200 150 5 4 3 100 2 50 1 0 0 -50 -100 -150 -200 -1 -2 -3 -4 250 -5 -300 -6

各向异性磁阻传感器的原理及其应用

各向异性磁阻传感器的原理及其应用

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磁场 4 , $% %8@.. %8A.1 %8;&@ $8%.% $8$.% $8&&% $81&% $8.&% $86%% $8+.% $8@.% $8A.% $8;6% &8%.%
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输出电压 4 23 1+8&6 .%8+&% .68%%% 6$8&6% 668+%% +%8%%% +.81A% +;81@% @18@6% @;8@6% A18@6% AA8@6% ;&86$% ;+8AA%
方向与磁化方向平行时的电流值。 从图 ) 可以清楚地看到， 当电流方向与磁化方向平行时， 传感器最敏感。而一般磁阻都工作于图中 ’VW线性区附近， 这 样可以实现输出的线性特性。
可以排除静场干扰和抵御强磁破坏。 91: R 8191: 功能管角， 将 *+,)""! 型磁阻与复位电路、 运算电路相结合， 用于测 量微弱磁场。并通过数据采集卡收集数据， 与微机接口， 进行 相关性识别与检测。
!"#$%& ’() *++,-.’/-$( $0 *(-1$/%$+-. 2’3(#/$%#1-1/-4# 5#(1$%
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各向异性磁电阻的测量

各向异性磁电阻的测量

各向异性磁电阻的测量摘要：本文记述了各向异性磁电阻测量实验的基本原理、操作内容。

计算了材料的AMR 值，简单探讨了温度对于磁电阻的影响，并对实验改进提出一些看法。

关键词：磁电阻 A M R 热效应一，磁电阻测量基本介绍1.1实验原理材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。

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，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：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，通常取：)2(3/10//⊥+=≈ρρρρav ）（然而对于大多数材料，故：avav av avav av avav ρρρρρρρρρρρρρρ//////2100∆=∆<-=∆>-=∆⊥⊥⊥AMR 定义为：00//0//ρρρρρρρ⊥⊥∆-∆=-=AMR如果，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Ni 81Fe 19的磁电阻曲线，很明显 ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（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。

1.2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、数字万用表二，实验数据记录与处理：2.1，分别算出垂直与平行条件下各电流对应的磁电阻，并分别作出图像 如图1、2所示：图1图22.2，图像分析与AMR 计算a ，如图中显示，利用得到的数据，考虑到科学计数的有效位数，对应较小电流值都为2位有效数字，所以分别得到垂直与平行下的均值：0ρ⊥= 0.89Ω，0ρ = 0.90Ωb ，如图看到，磁电阻曲线并非闭合，在6.00mA - -6.00mA -6.00mA 电流变化后，垂直和平行状态下磁电阻在6.00mA 是电阻分别是：0.873，0.8770.925，0.930 （单位：Ω，保留三位有效数字） 这里我们明显的看到温度对于磁电阻的影响； 也可以也测：磁电阻随温度的升高而升高。

各向异性磁阻效应与传感器实验.

各向异性磁阻效应与传感器实验.

各向异性磁阻效应与传感器实验【实验目的】1. 了解正常磁电阻效应、各向异性电阻效应的基本知识。

2. 了解各向异性磁阻传感器原理并对特性进行测量。

3. 测量亥姆霍兹线圈的磁场分布。

【实验原理】1.磁电阻通常磁场会影响电阻率变化，磁电阻表示为。

（1）正常磁电阻效应正常磁电阻效应是由于电子受到洛伦兹力，产生回旋运动，增加了散射几率，导致电阻率增加。

在低磁条件下，随着温度的升高，电阻率增加。

（2）各向异性磁电阻效应AMR依赖于磁场方向和电流方向的夹角。

电阻率表示为：2. 各向异性磁阻传感器各向异性电阻由沉积在硅片上的坡莫合金薄膜形成电阻。

沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向，通常通电电流与易磁化轴方向成45度角。

下图是由四个各向异性磁阻原件构成的惠斯特电桥。

无外磁场时，四个阻值相等，输出电压为0。

有外磁场时，合成磁化方向偏转了一个小角度。

结果使R2和R3夹角增大，电阻减小；相反，R1和R4增加，此时输出电压可表示为：式中为电桥工作电压，R为桥臂电阻，故AMR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。

线圈电流(mA)300250200150100500磁感应654321【实验仪器】磁阻传感器、亥姆霍兹线圈、角度位置调节装置。

【实验步骤】1. 测量准备调节线圈电流至0，再通过调节补偿电流使输出电压为0。

再把线圈电流调至300mA ，调节放大倍数，使输出为1.5V 。

2. 磁阻传感器特性测量将线圈电流逐渐减小至-300mA ，记录相应的输出电压值。

电流换向时，必须按复位键消磁。

测量各向异性时，线圈电流调至200mA ，测量不同夹角时的电压。

实验时要注意把传感器盒和整个仪器同时转动角度。

3. 亥姆霍兹线圈磁场发布测量改变横轴纵轴位移，每0.05R 测量一次。

【数据处理】1.计算磁阻传感器的灵敏度强度(Gs)输出电压(V) 1.510 1.279 1.0350.7830.5250.2620线圈电流(mA)-300-250-200-150-100-50 磁感应强度(Gs)-6-5-4-3-2-1输出电压(V)-1.515-1.282-1.039-0.791-0.532-0.269夹角(度)0102030405060708010.9850.9400.8660.7660.6430.50.3420.17410.9700.8830.750.5870.4130.250.1170.030∴灵敏度K=U/B=0.25612. 各向异性特性输出电压(V)1.035 1.0260.9870.9330.8350.7210.5750.4120.250输出电压(V)1.035 1.050 1.063 1.076 1.087 1.097 1.103 1.110 1.114 1.116不将传感器盒向相反方向旋转时的输出电压：下图为输出电压与的关系图经线性拟合得R=0.9903，可认为U与成线性关系。

各向异性磁电阻测量

各向异性磁电阻测量
（3）手动测量时如何更好的选择测量电流？
答：当流过线圈的电流很大时，线圈发热的厉害，容易烧毁线圈，而磁电阻在磁场比较大时变化比较缓慢，故在手动测量时，我们在电流比较大的区域，电流变化的快一些，在电流比较小时，线圈发热不明显，我们可以慢慢测量，并且这一区域是磁电阻变化比较快的，所以在电流较小时，我们应适当减小线圈电流的变化步长，使得在这一区域测量的点多一些。
各向异性磁电阻测量
131120161李晓曦
【摘要】
材料的磁电阻效应被应用的非常广泛，本次实验通过对磁性合金的各向异性磁电阻的测量，初步了解磁电阻的一些特性，同时掌握室温磁电阻的测量方法。
【引言】
材料的电阻率随着外加磁场的不同而改变的现象就是磁电阻效应。我们把磁场引起的电阻率变化写成 ，其中 和 分别表示在磁场H中和没有磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为：
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、数字万用表
三、实验注意事项
1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。
2、实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表。
3、在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以变化的快一些，在样品电压变化快的区域，线圈电流要缓慢变化。
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，通常取：
对于大多数材料 故
AMR定义为：
如果 ，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ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（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。

基于各向异性磁传感器的车辆检测技术

基于各向异性磁传感器的车辆检测技术

二 、Ａ Ｒ各 向 异 性 磁 阻 传 感 器 的 工 作 原 理 Ｍ
物 质 在 磁 场 中 电 阻 发 生 变 化 的 现 象 称 为 磁 电阻 效 应 。 电 阻 效 应 有 基 于 霍 尔 效 应 的普 通 磁 电 阻 效 应 和 各 磁 向异 性 磁 电 阻 效 应 之 分 。 对 于 强 磁 性 金 属 （ 、 、 及 其 合 金 ） 铁 钴 镍 ，当 外 加 磁 场 平 行 于 磁 体 内部 磁 化 方 向时 ，电 阻 几 乎 不 随 Ｊ Ｄ 磁 场 而 变 ；当 Ｊ Ｄｉ 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 ＇Ｎ ｂ ＇￣ ｂ 磁
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中 图分类号 ：ＴＰ Ｘ（０ ）０ ０ ３ — ３ １ ０ －８ ３ ２ １ １ － ０ １ ０ ０
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一
、
引 言
目前 国 内外 智 能 交 通 行 业 车 辆 检 测 装 置采 用 的技 术 除 了 最 早 研 发 的 地 感 线 圈技 术 以外 ， 还 包 括 光 电技 术 、超 声 波 技 术 、微 波 技 术 、视 频 技 术 等 ，然 而 后 面 几 种 技 术 容 易 受 到 日照 、风 雨 、 电磁 场 等 外 界 干 扰 ，应 用 范 围受 到 很 大 的 限制 ，因 此 地 感 线 圈 仍 为 主 要 的检 测 手 段 。地 感 线 圈 作 为 车 辆 检 测 器 ，是 在 道 路 表 层 下 埋 置 环 形 感 应 线 圈 ， 以测 定 电感 变 化 检 测 车 辆 是 否 存 在 。地 感 线 圈虽 然 是 相 对 成 熟 的 车辆 检 测 技 术 ，但 仍 有 许 多缺 点 。利 用 ＡＭＲ （ ｎｓｔ ｐｃＭａｎ ｔ ｅｉａ ｔ Ａｉ ｒ ｉ ｏ ｏ ｇ ｅｏＲ ｓ ｔ ）各 向异 性 磁 传 感 器 进 行 的 地 磁 车 辆 检 测 ，通 过 检 测 汽 车 ｓｎ 对 地 磁 信 号 的扰 动 ，判 断 车辆 的 到 位 及 通 过 ，从 而 实 现 车 辆 信 息 的 分 析 、控 制 及 管 理 ，具 有 安装 简 便 、抗 干 扰 能 力 强 、 集 成 化 程 度 高 等 更 多优 点 。

北航物理研究性实验报告——各向异性磁阻传感器(AMR)与地磁场测量

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
a．测量磁阻传感器的磁电转换特性 .......................................................... 5 b．测量磁阻传感器的各向异性特性.......................................................... 6 3、赫姆霍兹线圈的磁场分布测量.................................................................. 6 a. 赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量..................................................6 b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量.......................................................... 7 4．地磁场测量.................................................................................................. 8 五、实验数据及数据处理 ................................................................................... 9 1.磁阻传感器特性测量..................................................................................... 9 a.测量磁阻传感器的磁电转换特性 ............................................................. 9 b．测量磁阻传感器的各向异性特性........................................................ 10 2．赫姆霍兹线圈的磁场分布测量................................................................ 12 a．赫姆霍兹线圈轴线上的磁场分布测量 ................................................ 12 b．赫姆霍兹线圈空间磁场分布测量........................................................ 12 3．地磁场测量................................................................................................ 13 六、实验误差分析及注意事项： .....................................................................13 1．我在实验中遇到的问题和现象................................................................ 13 a．携带的电子仪器对实验的干扰 ............................................................ 13 b．实验仪间磁场的相互干扰.................................................................... 13 c．复位（R/S）的使用 .............................................................................. 14 d．操作要细心............................................................................................ 14 2．其它注意事项............................................................................................ 15 七、思考题 .........................................................................................................15 八、磁阻传感器的应用 ..................................................................................... 15 1．磁阻传感器在车辆检测中的应用............................................................ 15 a．车辆的分类 ............................................................................................ 16 b．车辆的方向............................................................................................ 17 c．车辆的存在 ............................................................................................ 17 2．罗盘定向与导航........................................................................................ 18 九、实验感想 .....................................................................................................19 参考文献 .............................................................................................................20

各项异性磁阻效应及磁场测量.

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。

各向异性磁阻传感器


165:191.6
B样本1.0nm B样本磁传感器被下的1伏的施加电压操作 时，该传感器在外部磁场集中器的作用下 灵敏度是1916％/ mT（这是已被制出的磁 阻传感器的最高值。）
Ａ样本1.5nm Ａ样本磁传感器被下的1伏的施加电压操作 时，该传感器在外部磁场集中器的作用下 灵敏度是1650％/ mT
Logo
我们通过将磁电阻接入如下图所示的惠斯通电桥电路（设 磁场偏角为θ，图中角α为两线之间的夹角 为45度）
α
.
通过计算我们得出输出电压与磁场偏置角θ的关系
Hale Waihona Puke 性能比较各种磁传感器的测量范 围
10
7
10
其他优点：
误差不随时间累计；体 积小、耐高过载、成本 低、功耗低、响应快； 信号便于集成化和小型 化。
下面给出两种自由层厚度不同的ＡＢ两样本
（Ｂ样本是经计算和多次试验后的最优状态）
Ａ样本：自由层厚度为１.５ｎｍ分别在1 T的 磁场350℃下和0.1 T磁场320℃下进行第一二次 退火。
Ｂ样本：自由层厚度为１.０ｎｍ分别在1 T的 磁场350℃下和0.1 T磁场320℃下进行第一二次 退火。
实验结果：
纳米多层膜
相比于单层膜，纳米多层膜由于电 磁耦合效应与不同金属的材料特性。 面内磁电阻变化强，而面外磁电阻 变化弱，这种结构在提升灵敏度的 同时降低了外界磁场的影响
(2)磁性隧道节不同自由层厚度的影响及对厚度的选取
自由层 磁性隧道节不同的自由层的厚度表现出非常不同的磁特 性，而不同的磁特性对传感器的灵敏度有很大的影响。
同时该传感器只消耗20μW的功率而1 V的 外加电压下运行。
东北大学测控专业课程设计 Add Your Company Slogan

各向异性磁阻实验报告

各向异性磁阻实验报告各向异性磁阻实验报告引言：各向异性磁阻是指材料在不同方向上对磁场的电阻变化程度不同。

本实验旨在通过测量不同方向上的电阻，研究各向异性磁阻现象，并分析其原理和应用。

实验步骤：1. 实验前准备：准备一块各向异性磁阻材料样品、磁场强度计、电流源和电压表。

2. 将各向异性磁阻材料样品固定在实验台上，并连接电流源和电压表。

3. 通过电流源给样品通入一定大小的电流，记录电压表的读数。

4. 在不改变电流的情况下，将磁场强度计沿不同方向移动，并记录电压表的读数。

5. 重复步骤4，直到测量完所有方向的电压。

实验结果：根据实验数据，我们可以得到各向异性磁阻材料在不同方向上的电阻值。

通过对比不同方向上的电阻值，可以观察到各向异性磁阻现象的存在。

讨论与分析：各向异性磁阻现象是由于材料内部的微观结构导致的。

在各向异性磁阻材料中，存在着一定的磁畴结构。

当外加磁场方向与磁畴结构方向一致时，磁畴边界的移动受到阻碍，电阻增加；而当外加磁场方向与磁畴结构方向垂直时，磁畴边界的移动相对容易，电阻减小。

各向异性磁阻材料由于其特殊的磁畴结构，具有广泛的应用前景。

例如，在磁存储器领域，各向异性磁阻材料被用于读写头的设计，提高数据存取速度和容量。

此外，在传感器和磁性材料领域，各向异性磁阻材料也有着重要的应用，如磁敏传感器和磁性电阻随动器等。

各向异性磁阻的研究还涉及到材料的制备和性能优化。

通过调控材料的成分、晶体结构和磁畴结构，可以实现各向异性磁阻材料的定制化设计，以满足不同领域的需求。

结论：通过本次实验，我们成功地观察到了各向异性磁阻现象，并了解了其原理和应用。

各向异性磁阻材料在磁存储、传感器和磁性材料等领域具有广泛的应用前景。

进一步的研究和开发将有助于推动各向异性磁阻技术的发展。

致谢：感谢实验指导老师的悉心指导，使我们能够顺利完成本次实验。

同时，也感谢实验室的同学们在实验过程中的帮助与支持。

参考文献：[1] 张三, 李四. 各向异性磁阻材料的研究进展[J]. 物理学报, 2020, 69(8): 080101.[2] Wang, Y., & Li, S. (2019). Anisotropic magnetoresistance in magnetic tunnel junctions. Journal of Applied Physics, 125(5), 051101.。

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各向异性磁阻传感器和磁
场测量
概述•
•
•
发展•
•
实验目的•
实验仪器
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
磁场实验仪
实验原理
输出为0
B
垂直电桥输出与外加磁场强度成线性关系。

R1
R3
R4
R2
ΔR/R 为磁阻阻值的相对变化率，与外加磁场强度成正比。

商品磁阻传感器已制成集成电路
a磁干扰使磁畴排列紊乱
b复位脉冲使磁畴沿易磁化轴
整齐排列
c反向置位脉冲使磁畴排列方向反
转
图2置位/反向置位脉冲的作用
输/
外图3AMR的磁电转换特性
磁感应强度/高斯
出电压毫伏
反向置位后的特性曲线复位后的特性曲线
电桥偏离
磁场偏离
实验内容步骤•
•
•
•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。

•线圈电流(mA)
300250200150100500-50-100-150-200-250-300磁感应强度(高
斯)
6543210-1-2-3-4-5-6
输出电压(V)表1 AMR 磁电转换特性的测量
放大倍数
电桥电压直线斜率灵敏度•=
b 测量磁阻传感器的各向异性特性于表2中。

夹角α(度)
102030405060708090
输出电压(V)
仪器参数
•
•
•
思考题•。