磁性的魅力—认识AMR磁阻传感器

磁传感器是什么?

所谓磁传感器，就是把磁场、放射线、压力、温度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号。现代工业和电子产品中应用中，磁传感器最广泛的是以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的磁传感器，最常见的是采用霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)、巨磁电阻(Giant Magnetoresistance, GMR)、隧道磁阻传感器(Tunnel Magnetoresistance, TMR)为核心的传感器。今天我们来认识下AMR磁阻传感器。

什么是AMR磁阻传感器?

某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，电阻的变化量叫做磁阻。

1857年，Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的;但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低, 我们这种特性称为各向异性磁电阻效应(Anisotropic Magnetoresistive Sensor,简称AMR)。磁场作用效果下图。

磁阻变化值与角度变化的关系

薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化，电阻与磁场特性是非线性的，且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系。从上图中，我们可以看到，当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感，在电流方向和磁化方向成45度角度时，一般磁阻工作于图中线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。

AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb，电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加;而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。

AMR磁阻传感器等效电路

AMR磁阻传感器如何“施展拳脚”?

各向异性磁阻传感器的测量范围正好是以地球磁场分布范围为中心，最适合工作在地球磁场环境下的磁传感器。其采用常见的坡莫合金，具有精度高，体积小，稳定性好等优点，且工艺上只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低，不需要昂贵的制造设备，适合批量生产和更迎合消费类电子市场的需求。

AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的磁场低于1高斯。传感器可用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括磁罗盘、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。

- 导航功能

磁传感器最初是利用其磁性来作为航海指南针。磁传感器和加速度计可以组成电子罗盘，是测量方位角比较经济的一种电子仪器。如今电子罗盘广泛应用于汽车和手持电子罗盘，手表，手机，对讲机，雷达探测器，望远镜，探星仪，穆斯林麦加探测器(穆斯林钟)，手持 GPS 系统，寻路器，武器/导弹导航(航位推测)，位置/方位系统，安全/定位设备，汽车、航海和航空的高性能导航设备，电子游戏机设备等需要方向或姿态显示的设备。

- 车辆管制功能

由于地球是个巨大的磁场，当车辆这类大磁体通过时，会引起地磁场局部的扰动。磁传感器可以探测到车辆的存在，行驶方向，行驶速度，车辆大小等。因此，地下车库可以计算剩余车位数量，可以监测道路车流量情况，为人们的出行提供道路和停车信息。

- 地磁探测

各向异性磁阻传感器可以用来辨别埋藏物质的。磁阻传感器是利用薄膜合金遇到磁场会产生磁阻值变化的性质，当电桥遇到不同强度的磁场时会产生不同的电压输出，将磁性信号转变为电信号。