集成磁阻传感器：响应快，应用广泛，温度特性补偿

（一）AMR磁阻传感器

AMR磁阻传感器是一种可测量磁场范围的磁传感器，可测量静磁场的方向和强度。这种传感器的构造包括硅基底座和坡莫合金，其中坡莫合金是由19%铁和81%镍构成的合金。在制作该传感器时，将坡莫合金薄膜沉积在硅基底座上，然后进行刻蚀，使其变为电阻条的形状。在外磁场的作用下，AMR薄膜的磁阻特性使电阻改变2%～3%。

图5-4所示为坡莫合金的磁阻效应。当不存在外界磁场时，坡莫合金的内部磁极化强度与电流流动方向平行（图中自左向右流动）。如果外界磁场H与坡莫合金平面平行，但垂直于电流流动方向，则坡莫合金内部磁极化强度的方向将产生角度为α的旋转。因此，坡莫合金的电阻值将会改变，即：

其中，R0及ΔR0由合金材料的参数所确定。显然，由于二次项的存在，电阻与磁场强度之间的关系为非线性，且电阻值与磁场强度值之间也不是一一对应关系。

图5-4　坡莫合金的磁阻效应

图5-5给出了电阻变化（ΔR/R）与角度α之间的关系。由图可见，电阻变化是一个对称曲线，并在45°附近存在一个线性区域。

图5-5　AMR磁阻变化与角度a之间的关系

在元件制作时，使AMR薄膜中的电流以45 方向流动，如图5-9中惠斯通电桥中的4个AMR电阻所示，在薄膜宽度方向上制备低电阻材料层实现薄膜之间的电短路，利用电流趋向于以最短路径通过AMR薄膜的特性，控制电流以45 角流过薄膜条。由于这种结构很像理发店的招牌，因此被形象地称为理发店招牌式偏置（barber’s pole biasing）。具体过程如下：

（1）磁阻内部的磁畴指向由于外加磁场的变化而发生变化；

（2）磁畴指向的变化使角度α发生改变；

（3）磁敏电阻各向异性产生变化。磁敏电阻与夹角α的关系服从：

式中，R┴代表电流方向与磁化方向垂直时的阻值，Rp代表电流方向与磁化方向平行时的阻值。(www.xing528.com)

磁阻效应的特点就是响应快，且不受线圈或振荡频率的影响，比其他类型的磁微传感器应用更加广泛。AMR传感器的构件（如硅片）可以大批量生产，并可与商用电子线路集成。通常情况下，AMR传感器的带宽可达0～5MHz。除此之外，与其他机械或电子的测量方案比较，这种传感器还具有体积小、成本低、可靠性高、容易安装、灵敏度高、适应性强、噪声低等优点。AMR传感器可以通过控制坡莫合金薄膜的形状，使传感器对磁场更加敏感，得到的结果更加准确，是在地磁场环境中测线位移及角位移的一种非常实用的方法。

为方便应用，将2个或4个磁敏电阻连接成惠斯通电桥，在器件内部制成半桥或全桥，有单轴、双轴、三轴等多种形式。例如，HMC系列磁阻传感器就在内部集成了磁阻元件组成的惠斯通电桥及置位/复位部件。图5-6就是HMC1001单轴磁阻传感器的结构和电路示意图。

图5-6　HMC1001单轴磁阻传感器的结构和电路示意图

HMC1001传感器的电路起着接近传感器的作用，它把一块磁铁放置在与传感器相距5～10mm的范围内；点亮LED灯。放大器起到一个简单比较器的作用，当HMC1001的输出超过30mV时，它会直接切换到低位。磁铁对于磁场也有要求，需要磁铁的磁场强度达到0.02T，而且需要有一个磁极的方向与传感器的敏感方向一致。门的开关情况或有无磁性体存在都是用这种电路进行检测的。

应用磁阻传感器测量时，信号属于模拟信号，要求检测电路调整传感器零点及灵敏度。另外，大部分磁阻传感器存在温度漂移现象，因此需要对温度特性进行补偿。

（二）GMR磁阻传感器

巨磁阻传感器基于巨磁阻（GMR）效应制作而成。如图5-7（a）所示，由一层非磁性导电材料分开的2层磁性材料组成“三明治”结构，上下2层的磁化矢量方向可以是相对的，如图5-7（b）所示，也可以是一致的，如图5-7（c）所示。前者在界面上的散射小，传导电子的平均自由行程长，电阻较小；后者在界面上的散射大，传导电子的平均自由行程短，电阻较大。为保证基于自旋的散射成为影响电阻的主要成分，薄膜厚度必须小于体材料中的电子自由行程。大部分铁磁材料的平均自由行程在几十纳米的量级，因此薄膜厚度在10nm以下。如此薄的薄膜对制作工艺要求很高，这也是巨磁阻现象发现较晚的一个重要原因。利用薄膜制作工艺，可制作多达10多层结构的巨磁阻微传感器。

图5-7　多层薄膜的巨磁阻效应

GMR效应主要用来制作磁记录装置中的读写头，这种传感器同样可用于测量低强度的磁场。在实际应用中，电阻的约翰逊噪声是需要考虑的一个重要因素。对于敏感元件的电阻值有一定的要求，要尽量低一些，如50nm左右，这是因为噪声电压与电阻阻值的平方根之间是正比的关系。低噪声的放大器是不可缺少的。另外，GMR传感器的一个重要缺点是，GMR传感器对工作环境有严苛的要求，需要在偏置磁场环境里要有相对较大的电阻变化，工作环境就必须是较高的偏置磁场（约0.1T）。然而，这样高的磁场强度在实际测量中通常是允许的，所以实际得到的电阻变化率与普通AMR之间只有很小的比例。

GMR效应的实现不仅依赖多层结构，还可以用非均匀相合金制成颗粒膜。这种颗粒膜结构是指颗粒（纳米量级）弥散于薄膜中所产生的复合膜，这种非均匀相的体系中，异相界面会严重影响电子输运性质和电、磁、光等特性。这种镶嵌着微颗粒的薄膜与多层薄膜有许多相似之处，都属于二相或多相复合非均匀体系。然而，颗粒膜中的颗粒呈混乱的统计分布，并且生产过程相对简单。常用的制备方法有离子注入、共溅射、共蒸发等，实验室常用磁控溅射和离子束派射等方法。颗粒膜中的GMR效应主要来自界面电子的散射，颗粒膜内部的电子散射对GMR效应的贡献很小。

作为比较，表5-1给出了商品化的AMR、GMR和霍尔传感器的一些特性。

表5-1　AMR、GMR和霍尔传感器的一般特性

巨磁阻微传感器最常见的应用是在硬盘中作为读出探头，不需要很高的线性度。巨磁阻微传感器成本低、灵敏度高，极其适用于磁场的线性测量。磁场的线性测量目前已经整合了多项技术，如正交偏置、磁通集中器、敏感轴偏置等。敏感轴偏置的原理是用一个集成在芯片内部的平面线圈产生一个附加的磁场，这个磁场可以使微传感器的工作点偏移到线性敏感区域。