物理实验第22卷第4期 坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度图1所示在铁磁合金带的宽度方向施加磁场, M和电流方向的夹角日即 导致对角上的两个电阻的内磁化方向朝着电流 p(6=p1+(py-p)∞s2θ(1)方向转动,θ角减小,电阻增大,另外两个电阻 其中pn,P1分别是平行于M和垂直于M时的的内磁化方向背向电流转动,θ角增大,电阻减 电阻率 小.靠电阻阻值的变化将外加磁感应强度转换 由于坡莫合金(Fe2Nio)在弱磁场下的电成差动输出的电压,该输出电压可用下式表示 阻变化量较大,因此适合于弱磁场条件下使用 3磁阻传感器的结构和工作原理 其中,R为薄膜电阻,AR/R为阻值的相对变化 31传感器的结构 量,Vb为传感器的工作电压 HMC1021Z型磁阻传感器的核心部分是 由于坡莫合金的电阻变化,在0~08× 惠斯通电桥,该器件的4个电阻由带状坡莫合10T范围内薄膜电阻相对变化量△R/R与 金薄膜制成,见图1和图2.当外加磁场时,因外加磁场的磁感应强度成平方关系,即△RR 坡莫合金具有各向异性的磁电阻效应,电桥电=AB2(k为常量),传感器内部设计了1个很小 阻的阻值变化,导致传感器输出电压的变化传的环状电流带,该电流带产生磁场补偿外界磁 感器具有两个铝制的环状电流带,一个是置位场,使该传感器线性工作范围从0开始,从而使 和复位电流带( ET/RESET STRAP),可用来该传感器能够测量低至10T范围的弱磁场 修正传感器的灵敏度,也可用于置位和复位输沿着传感器的宽度方向上的单位磁场的输出最 出极性另一个是补偿电流带( OFFSET大灵敏度最高 STRA P),用来抵消外界的环境磁场 2)置位和复位电流带( SET/RESET 合金带 STRAP) 如果在传感器的敏感轴方向上施加超过 10×104T的磁场,会打乱传感器磁阻内部磁 坡莫合金薄膜 畴的极化方向,改变传感器的输出特性,使输出 的信号变弱,灵敏度降低为消除这种历史上的 图1磁阻传感器构造示意图 不良影响”,需要重新设置这些磁畴的极化方 偏置磁场 向来恢复传感器的灵敏度.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2 外加磁场 s),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·置位脉冲电路图见 图3 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, 图2磁阻传感器内的惠斯通电桥 对外表现为传感器输出的极性反转 32传感器的工作原理 3)磁耦合环形补偿电流带( OFFSET 1)传感器的基本部分 STRAP) 若供给传感器内部的惠斯通电桥的工作电 该环形电流带上每通过5mA的电流,就 压为rb,传感器的铁磁合金带的长度方向将通相当于在外加磁场的方向提供104T的磁场 过一个电流,其中通过各个电阻的电流方向如补偿电流带的作用主要是,通过在电流带上施 C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved.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 (Fe20N i80 ) 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Ζ 3 磁阻传感器的结构和工作原理 3. 1 传感器的结构 HM C1021Z 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(SETöR 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 = ∃R R V b (2) 其中, R 为薄膜电阻, ∃R öR 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 öR 与 外加磁场的磁感应强度成平方关系, 即 ∃R öR = 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Ζ 2 ) 置 位 和 复 位 电 流 带 (SETöR 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 2 Λs) , 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Ζ 3) 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 64 物理实验 第 22 卷 第 4 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved