5-5-1 各向异性磁电阻在线视频

在这一节我们主要介绍

应用已经比较成熟的

各向异性磁电阻

和巨磁电阻磁传感器

下面我们介绍各向异性磁电阻

各向异性磁电阻效应

是在1857年

由W.Thomson也就是Kelvin勋爵发现的

但直到20世纪后期

由于薄膜沉积技术的进步

才得到了系统的研究

1971年亨特提出了利用AMR

也就是各向异性磁电阻

制作磁盘系统的读出磁头

到了1985年

IBM开始在他的3480磁带机上

应用磁电阻

到了1991年各向异性磁电阻

应用于硬盘

各向异性磁电阻指的是

材料的磁矩与测试电流方向

平行和垂直的时候

所测得的电阻率不相等的效应

铁磁金属和许多合金多晶体

都具有各向异性的磁电阻效应

各向异性磁电阻效应的强弱

可以用磁电阻率来表征

在这个式子中

ρ0为铁磁材料

在理想退磁状态下的电阻率

但是理想退磁状态是很难实现的

所以工程上

我们通常采用一个近似值来

计算磁电阻率

也就是这个式子中的ρav

在低温大概5K的条件下

铁和钴的各向异性磁电阻

磁电阻率大概为1%

坡莫合金也就是

镍81铁19这种合金

它的AMR为15%左右

在室温下 坡莫合金大概为2.5%

尽管AMR效应的绝对数值

并不是很大

但在目前的读出磁头

和磁传感器等领域

仍然有着非常广泛的应用

事实上 在大多数情况下

材料的磁矩与电流方向

不是绝对的平行或者垂直

而是有一个夹角θ

这个时候

各向异性磁电阻的电阻率

可以用垂直与平行状态下的

电阻率

以及夹角θ这三个参数来计算得到

为了使用方便

我们将垂直

与平行状态的电阻率差

用△ρm来表示

那么对于一个实际的磁电阻器件

外加磁场是如何影响材料的磁矩

进而改变器件的电阻的呢

首先在制作

各向异性磁电阻条的时候

就在平行于磁条的长轴方向

施加一个强磁场

建立这样一个磁条的异磁化轴

使得在没有外加磁场的情况下

磁条的磁矩平行于其长度方向

当有外加磁场作用在

磁条上的时候

外加磁场将旋转磁条的磁矩方向

如这样一个图所示

在这个图中Ha为外加磁场

如果外加磁场的方向

与磁条的异磁化轴

也就是说磁条的长轴方向

相垂直时

磁条电阻的变化

可以近似的利用

这样一个式子来计算

在这个式子中Rs为标称电阻

△ρm除以ρ为最大电阻变化率

θ为磁电阻的电流方向I

与异磁化轴之间的夹角

在这个式子的括弧中的部分

描述了外加磁场和磁条磁矩

共同对磁电阻变化的作用

其中Ha为归一化的外加磁场强度

也就是外加磁场强度

与Hk和Hb的和的比值

Hk是磁条的各向异性磁场

它与磁条的尺寸参数

和饱和磁化强度有关

可以用这个式子来描述

而Hb是磁条制作过程中

建立异磁化轴时的偏置磁场

进一步对这个比较复杂的式子

进行分析

如果我们的外加磁场强度

相对比较小

也就是归一化外加磁场

远小于1的时候

我们可以在θ等于45度的条件下

得到电阻变化的最大值

也就是这个式子

所以在制作

各向异性磁电阻的时候

需要将电流的方向

与磁条的异磁化轴方向

设定为45度

这个时候各向异性磁电阻的

电阻变化会最大

且外加磁场的强度

与电阻的变化成正比

线性度好

但是如何实现电流方向

与磁条的异磁化轴方向

也就是磁条电阻条的长度方向

呈45度角呢

工程师们想出了一个

非常巧妙的方法

看这个图

可以在磁条上

存积一系列平行的高电导率的

材料的线条

比如说金材料

这些线条与磁条的电阻长度方向

的夹角为45度

这样我们在金线条之间

获得的电流方向

将垂直于这些线条

从而达到电流方向

与磁条的长度方向呈45度的目的

另外如果金线条

与磁条的长度方向呈负的45度

那么磁电阻将往反方向变化

所以根据这样一个特点

我们可以按照这样一个图的方式

设计4个磁电阻条

并搭成惠斯顿电桥的检测电路

可以进一步提高

对磁场检测的灵敏度

和器件使用的方便性

这个图是一个典型的

各向异性磁电阻

桥式传感器的传输特性曲线

各向异性磁电阻

电阻桥的灵敏度

可以通过改变偏置磁场

调节归一化外加磁场的方法

进行调整

但是提高灵敏度以后

将使得器件的测量范围减小

这个表比较了霍尔器件和

各向异性磁电阻

两种磁传感器的特点

总体而言

两种磁传感器都可以

与集成电路工艺相兼容

都可以测量恒定的磁场

但是各向异性磁电阻

它的灵敏度会更高一些

而霍尔器件的线性度会更好一些

而且霍尔器件它并没有饱和磁场