磁阻傳感器的特性：TMR隧道磁阻傳感器 詳解TMR傳感器的原理和特性
在美國(guó)拉斯維加斯舉辦的全球最大電子產(chǎn)品展覽會(huì)“2018年消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品展銷(xiāo)會(huì)（CES 2018）”的 TDK和AKM的展臺(tái)上發(fā)布了一款高精度3軸磁力計(jì)。
該磁力計(jì)將TDK公司開(kāi)發(fā)的高度靈敏的隧道磁阻（TMR）元件與AKM公司設(shè)計(jì)的先進(jìn)電子羅盤(pán)ASIC組合到一個(gè)小型LGA 11針?lè)庋b內(nèi)。該新型TMR磁力計(jì)附在一塊芯片上，微型尺寸僅為1.6毫米 x 1.6毫米x 0.6毫米，而其特點(diǎn)是具有業(yè)內(nèi)最低的RMS噪音，僅為40 nT-rms，且在在輸出數(shù)據(jù)速率為100Hz時(shí), 電流消耗亦非常低，僅為40 μA。
由于具有10 nT/LSB（最低有效位）的高靈敏度，該磁傳感器可以非常精確地檢測(cè)磁場(chǎng)內(nèi)細(xì)小變化，從而能夠在地球磁場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生器的幫助下高度準(zhǔn)確地探測(cè)位置和方位。這些獨(dú)一無(wú)二的特點(diǎn)使得TMR磁力計(jì)適用于緊湊型電子設(shè)備上，例如：智能手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)控制器和各種各樣的可穿戴設(shè)備，以及需要位置和方位精度高的其他應(yīng)用，例如：虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合現(xiàn)實(shí)（VR、AR和MR）或室內(nèi)導(dǎo)航。
磁傳感器
磁傳感器是種類(lèi)繁多的傳感器中的一種，它能夠感知與磁現(xiàn)象有關(guān)的物理量的變化，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而直接或間接地探測(cè)磁場(chǎng)大小、方向、位移、角度、電流等物理信息，廣泛應(yīng)用于信息、電機(jī)、電力電子、能源管理、汽車(chē)、磁信息讀寫(xiě)、工業(yè)自動(dòng)控制及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
隨著科技進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)磁傳感器的尺寸、靈敏度、熱穩(wěn)定性及功耗等提出了越來(lái)越高的要求。
廣泛應(yīng)用的磁傳感器主要是基于電磁感應(yīng)原理、霍爾效應(yīng)及磁電阻效應(yīng)等。其中基于磁電阻效應(yīng)的傳感器由于其高靈敏度、小體積、低功耗及易
集成等特點(diǎn)正在取代傳統(tǒng)的磁傳感器。
目前市場(chǎng)上主要的磁傳感器芯片是基于霍爾效應(yīng)、各向異性磁電阻(AMR)和巨磁電阻(GMR)效應(yīng)而開(kāi)發(fā)的，而由于TMR磁傳感器芯片擁有的小型化、低成本、低功耗、高度集成、高響應(yīng)頻率和高靈敏度特性，使其將會(huì)成為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。
TMR隧道磁阻傳感器
主流的磁傳感器仍然是半導(dǎo)體霍爾器件，但其本身存在的靈敏度低、容易受應(yīng)力和溫度影響、響應(yīng)頻率低以及功耗大的缺點(diǎn)，使其主導(dǎo)地位正不斷受到磁電阻傳感器的沖擊。
國(guó)外薄膜磁電阻傳感器(AMR／Sl，in-Valve／TMR)技術(shù)已經(jīng)成熟并已開(kāi)始大規(guī)模量產(chǎn)。TMR傳感器目前主要應(yīng)用在硬盤(pán)磁頭和磁性?xún)?nèi)存領(lǐng)域，代表廠(chǎng)商：Seagate／WD／TDK；AMR器件代表廠(chǎng)商有：HoneyWell／NEC／日本旭化成／西門(mén)子；美國(guó)NVE公司小規(guī)模量產(chǎn)GMR傳感器和少量的Spin—Valve傳感器。
TMR磁傳感器芯片的研發(fā)和生產(chǎn)依賴(lài)于納米薄膜及納米級(jí)電子元器件的生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝與技術(shù)以及芯片的設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)。TMR技術(shù)主要掌握在國(guó)外的硬盤(pán)制造企業(yè)手中，而磁傳感器制造企業(yè)普遍缺乏n很芯片制各技術(shù)、人才和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。
在全世界范圍內(nèi)，國(guó)際上也只有美國(guó)的兩家公司能夠小批量生產(chǎn)TIvIR磁傳感器芯片，包括美國(guó)的NVE和Micro MagneTIcs，而國(guó)內(nèi)受設(shè)備和人才的限制，直到2010年，才逐漸填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白。
磁阻傳感器的特性：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)磁阻傳感器的特性測(cè)量思考題答案
變磁阻式傳感器
將位移、轉(zhuǎn)速、加速度等非電物理量轉(zhuǎn)換為磁阻變化的傳感器。它包括電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器。
變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 它屬于變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類(lèi)型,電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可制成轉(zhuǎn)速傳感器。電感式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用較廣,它利用磁通變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),其電勢(shì)大小取決于磁通變化的速率。這類(lèi)傳感器按結(jié)構(gòu)不同又分為開(kāi)磁路式和閉磁路式兩種。開(kāi)磁路式轉(zhuǎn)速傳感器(圖4a)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,輸出信號(hào)較小,不宜在振動(dòng)劇烈的場(chǎng)合使用。閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)齒輪、線(xiàn)圈和永久磁鐵構(gòu)成(圖4b)。內(nèi)、外齒輪有相同的齒數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)軸上一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于內(nèi)、外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生磁阻變化,在線(xiàn)圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。測(cè)出電勢(shì)的大小便可測(cè)出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。
參考書(shū)目
張是勉,楊樹(shù)智編著:《自動(dòng)檢測(cè)》,科學(xué)出版社,北京,1987。
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磁阻傳感器的特性：磁阻傳感器閱讀：時(shí)間：2010-10-20 14：44：51
磁性材料(如坡莫合金)具有各向異性，對(duì)它進(jìn)行磁化時(shí)，其磁化方向?qū)⑷Q于材料的易磁化軸、材料的形狀和磁化磁場(chǎng)的方向。，當(dāng)給帶狀坡莫合金材料通電流時(shí)，材料的電阻取決于電流的方向與磁化方向的夾角。如果給材料施加一個(gè)磁場(chǎng)B(被測(cè)磁場(chǎng))，就會(huì)使原來(lái)的磁化方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果磁化方向轉(zhuǎn)向垂直于電流的方向，則材料的電阻將減小;如果磁化方向轉(zhuǎn)向平行于電流的方向，則材料的電阻將增大。磁阻效應(yīng)傳感器一般有四個(gè)這樣的電阻組成，并將它們接成電橋。在被測(cè)磁場(chǎng)B作用下，電橋中位于相對(duì)位置的兩個(gè)電阻阻值增大，另外兩個(gè)電阻的阻值減小。在其線(xiàn)性范圍內(nèi)，電橋的輸出電壓與被測(cè)磁場(chǎng)成正比。
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磁阻傳感器的特性：磁阻效應(yīng)及磁阻傳感器的特性研究.doc
磁阻效應(yīng)及磁阻傳感器的特性研究
P 李夢(mèng)達(dá)
實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>了解磁阻效應(yīng)的基本原理及測(cè)量磁阻效應(yīng)的方法。
測(cè)量銻化銦（InSb）傳感器電阻的變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化之間的關(guān)系，并作出相應(yīng)圖線(xiàn)。
利用作出的圖線(xiàn)測(cè)量未知磁場(chǎng)。
實(shí)驗(yàn)原理
（原始實(shí)驗(yàn)原理見(jiàn)預(yù)習(xí)報(bào)告）
關(guān)于本次實(shí)驗(yàn)
本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量相關(guān)傳感器的橫向磁阻效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)儀器如圖1所示。其中IM 輸出為勵(lì)磁電流，IS輸出為加在傳感器兩端的電流。最左邊面板負(fù)責(zé)測(cè)量外加磁場(chǎng)強(qiáng)度與傳感器兩端的電壓值。
圖1 磁阻效應(yīng)試驗(yàn)儀
實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量的項(xiàng)目有勵(lì)磁電流大?。ê屯饧哟鸥袘?yīng)強(qiáng)度相關(guān)）、磁感應(yīng)強(qiáng)度、傳感器兩端的電壓值。根據(jù)歐姆定律來(lái)計(jì)算磁阻效應(yīng)時(shí)傳感器的電阻值。
實(shí)驗(yàn)需要計(jì)算電阻的相對(duì)變化率的數(shù)值，并將此數(shù)值與磁感應(yīng)強(qiáng)度B相對(duì)比，作出-B曲線(xiàn)，并進(jìn)行擬合。
一般情況下外加磁場(chǎng)較弱時(shí)，電阻相對(duì)變化率正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的二次方；隨磁場(chǎng)的加強(qiáng)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系；當(dāng)外加磁場(chǎng)超過(guò)特定值時(shí)，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的響應(yīng)會(huì)趨于飽和。
根據(jù)擬合出來(lái)的曲線(xiàn)，我們可以測(cè)量位置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
關(guān)于霍耳效應(yīng)
磁阻效應(yīng)的產(chǎn)生原理和霍耳效應(yīng)十分相似，圖2和圖3分別為橫向磁阻效應(yīng)和霍耳效應(yīng)的原理圖。
圖2 橫向磁阻效應(yīng)原理圖
圖3 霍耳效應(yīng)原理圖
本次實(shí)驗(yàn)儀器所使用的測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的儀器部分就是使用了砷化鎵（GaAs）霍爾傳感器，測(cè)量霍爾片兩端的霍爾電壓（圖3中的電壓表）即可得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小?；舳?yīng)的原理公式為：
其中
稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度，而電流I是流過(guò)霍爾元件的電流強(qiáng)度。
實(shí)驗(yàn)步驟
接線(xiàn)已經(jīng)完成，將IS和IM的調(diào)節(jié)旋鈕擰至最小。
打開(kāi)交流電源，將信號(hào)源及測(cè)試架的切換開(kāi)關(guān)都處于按下?tīng)顟B(tài)，這時(shí)將測(cè)試架上取出的霍爾電壓信號(hào)輸入到信號(hào)源，經(jīng)內(nèi)部處理轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)強(qiáng)度由表頭顯示。
調(diào)節(jié)IS調(diào)節(jié)電位器讓IS表頭顯示為1.00mA，然后調(diào)節(jié)IM，使磁感應(yīng)強(qiáng)度顯示為0mT，記下勵(lì)磁電流值IM的大小。
按上信號(hào)源及測(cè)試架上的切換開(kāi)關(guān)，測(cè)量并記錄該磁感應(yīng)強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的磁阻電壓。注意保持IS表頭顯示應(yīng)為1.00mA，如果出現(xiàn)變化，再次調(diào)節(jié)IS。
將信號(hào)源及測(cè)試架上的切換開(kāi)關(guān)按下，重復(fù)上述操作，再調(diào)節(jié)IM，磁感應(yīng)強(qiáng)度每增加10mT，記錄一次對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流值和相應(yīng)的磁阻電壓。
記錄每次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算相應(yīng)的，其中表示磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0的時(shí)候的電阻值。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在B
