磁性的魅力―認識AMR磁阻傳感器

磁傳感器是什麼?

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/385666.htm

所謂磁傳感器，就是把磁場、放射線、壓力、溫度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的變化轉換成電信號。現代工業和電子產品中應用中，磁傳感器最廣泛的是以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的磁傳感器，最常見的是採用霍爾(Hall)元件、各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)、巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)、隧道磁阻傳感器(Tunnel Magnetoresistance, TMR)為核心的傳感器。今天我們來認識下AMR磁阻傳感器。

什麼是AMR磁阻傳感器?

某些金屬或半導體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發生變化，這種現象叫做磁阻效應，電阻的變化量叫做磁阻。

1857年，Thomson發現坡莫合金的的各向異性磁阻效應。對於有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。當外部磁場與磁體內建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發生改變的;但當外部磁場與磁體的內建磁場有一定角度的時候, 磁體內部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們這種特性稱為各向異性磁電阻效應(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR)。磁場作用效果下圖。

磁阻變化值與角度變化的關係

薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻並不與唯一的外加磁場值成對應關係。從上圖中，我們可以看到，當電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作於圖中線性區附近，這樣可以實現輸出的線性特性。

AMR磁傳感器的基本結構由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經電阻。當施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉動，這兩個電阻的阻值會增加;而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

AMR磁阻傳感器等效電路

AMR磁阻傳感器如何「施展拳腳」?

各向異性磁阻傳感器的測量範圍正好是以地球磁場分布範圍為中心，最適合工作在地球磁場環境下的磁傳感器。其採用常見的坡莫合金，具有精度高，體積小，穩定性好等優點，且工藝上只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的製造設備，適合批量生產和更迎合消費類電子市場的需求。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場範圍內的磁場低於1高斯。傳感器可用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應用包括磁羅盤、旋轉位置傳感、電流傳感、鑽井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。

- 導航功能

磁傳感器最初是利用其磁性來作為航海指南針。磁傳感器和加速度計可以組成電子羅盤，是測量方位角比較經濟的一種電子儀器。如今電子羅盤廣泛應用於汽車和手持電子羅盤，手錶，手機，對講機，雷達探測器，望遠鏡，探星儀，穆斯林麥加探測器(穆斯林鐘)，手持 GPS 系統，尋路器，武器/飛彈導航(航位推測)，位置/方位系統，安全/定位設備，汽車、航海和航空的高性能導航設備，電子遊戲機設備等需要方向或姿態顯示的設備。

- 車輛管制功能

由於地球是個巨大的磁場，當車輛這類大磁體通過時，會引起地磁場局部的擾動。磁傳感器可以探測到車輛的存在，行駛方向，行駛速度，車輛大小等。因此，地下車庫可以計算剩餘車位數量，可以監測道路車流量情況，為人們的出行提供道路和停車信息。

- 地磁探測

各向異性磁阻傳感器可以用來辨別埋藏物質的。磁阻傳感器是利用薄膜合金遇到磁場會產生磁阻值變化的性質，當電橋遇到不同強度的磁場時會產生不同的電壓輸出，將磁性信號轉變為電信號。