RA、RB阻值与磁场强度H的关系曲线
2）磁敏电阻的特性 磁敏电阻的特性 对磁场强度敏感：在弱磁场下有较高灵敏度。从上图可知这种元 件对磁场强度敏感。当信号磁场在元件饱和磁场强度以下、电 源电压为6VDC时，场强灵敏度可达1 mV/mT。 方向性强： 方向性强：强磁性金属膜MR在弱磁场下无洛伦兹力和霍尔效应 信号磁场垂直于元件图形平面时对元件无作用，有磁屏蔽作用； 信号磁场方向平行元件图形平面，并与元件金属条及电流方向 夹角θ为零度(即R||)时，元件阻值变为最大，角度为90(即R⊥)时， 元件阻值变为最小；为45时不变，有RA＝RB＝RO。 元件在信号磁场作用下阻值变化量为∆R＝R|| (在饱和磁场下)； 阻值变化率即元件灵敏度，为∆R/R＝4％～6％，∆R与元件多层膜 由不同金属、不同层数和层间材料的 巨磁电阻多层膜 不同组合，可制成不同机制的巨磁电阻磁敏器件。它们呈 现出随磁场变化的电阻率，比单层的各向异性磁敏电阻器 的变化要高出若干倍。 ⑤采用各种不同成分和比例的非晶合金材料及各种工艺 采用各种不同成分和比例的非晶合金材料及各种工艺 用非晶合金的高导磁率特性和可制成细丝的机械特性，取 代坡莫合金芯用于磁通门等器件，其性能得到很大改善。 ⑥Ⅲ—V族半导体异质结构材料 用这种材料制作霍尔元 Ⅲ V 件，其灵敏度在296K时达22.5V/T；灵敏度的温度系数也 有大改善，用恒流驱动时为-0.0084％/K。
1. 概述
每年所需的磁传感器数以十亿计，主要应用方面如下: (1)电机 电机：转速、转矩、电流 电机 (2)电力电子技术 电力电子技术：监测、控制和保护大功率器件的各种 电力电子技术 电流传感器 (3)能源管理 能源管理：自动监控系统的各控制环节都可利用以磁 能源管理 传感器为基础的电流传感器、互感器等来实施。 (4)磁信息读写 磁信息读写 (5)汽车工业 汽车工业：电机、ABS(防抱制动系统)、点火定时用 汽车工业 的速度传感器及点火器。 (6)工业自动化、机器人、办公自动化、家电及各种安全 工业自动化、 工业自动化 机器人、办公自动化、 系统等
2. 磁性材料及其效应
3. 各向异性磁电阻效应 具有高磁导率的金属称强磁性金属，如Ni-Fe,Ni-Co 基合金。强磁场中其电阻率随磁场增强而减小，称强磁 强磁 阻效应。 阻效应 在弱磁场中，当磁场强度大于某值时，强磁性金属 的电阻率与磁场强度无关，只与磁场和电流间的方向角 有关，磁阻呈各向异性，此现象称为定向（或各向异 性）磁阻（AMR）效应，也即与外磁场方向平行的强 强 磁性金属磁敏电阻的电流方向的电阻率ρ//和与外磁场 磁性金属磁敏电阻 方向垂直的电流方向的电阻率ρ⊥发生变化的效应。 AMR效应源自各向异性的散射。强磁性磁阻器件 主要利用AMR效应。
AMR磁阻变化率与角度之间的关系
AMR元件的“理发店招牌式偏置”
当外磁场H与薄膜平面平行，并与电流流向成θ角时，其电阻R(θ) 将随θ变化，出现各向异性变化，各磁阻条A、B、C、D的电阻为 R(θ)A＝R(θ)C＝R||sin2(θ+45)+ R⊥cos2(θ+45) R(θ)B＝R(θ)D＝R||sin2(θ+135)+ R⊥cos2(θ+135) = R||cos2(θ+45)+ R⊥sin2(θ+45) R(θ)A+R(θ)B＝R(θ)D+R(θ)C＝R||+ R⊥, , 所以桥式电路输出端表达式为 U(θ)=0.5(∆R／R0)Uicos2θ 其中：∆R＝R|| - R⊥，R0＝(R||+ R⊥)/2。∆R/R0为各向异性磁阻比，由材 料本身所决定。 可知，不管作用于薄膜平面内的磁场方向如何改变，磁阻条A和 B、C和D连接成的总阻值保持不变，从而有较宽频带，达100MHz。
1. 概述
以磁性材料为主体，磁敏器件把磁场强度转换成电 压、电阻等电量，与相应检测技术结合构成不同传感器 从10-14T~25T以上的强磁场，都有可用的相应器件。 磁传感器在1970～80年代形成发展高潮，1990年代进 入成熟和完善期。 发展中的新型磁传感技术得益于如下方面： ①IC技术的应用 应用IC技术，已开发出磁敏电阻电 技术的应用 路、巨磁阻电路等多种功能性的集成磁敏器件。 ②InSb薄膜技术开发成功 使霍尔元件产量大增，成本 薄膜技术开发成功 大幅下降. ③强磁性合金薄膜 在与薄膜表面平行的磁场作用下， 强磁性合金薄膜 以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻率呈现出 2％～5％的变化。
温度特性：全电阻温度系数：2.6×10-3％； 输出电压温度系数：2.6×10-4％； 工作温度范围宽：模拟量为-20～100℃，开关量为-40～200℃； 温度系数线性好，易于补偿。 其它特性：频率响应高，工作频率范围为0～10MHz。抗冲击振 动，环境适应能力强。元件本身在信号磁场作用下，可随意使其阻 值增大或减小，可使灵敏度提高一倍。 应用：已用于磁敏无触点开关、转速、流量、液位传感器、汽车 应用： 点火器、角位移传感器、线位移传感器等。
2. 磁性材料及其效应
1. 半导体材料的霍耳效应（略） 2. 非磁体的磁电阻效应 在通电流的非磁金属或半导体上加磁场时，其电阻 值变化。此现象称磁致电阻变化效应或洛仑兹(Lorentz) 磁电阻效应，简称磁电阻(MR)效应。 产生原因：磁场改变载流子的漂移路径，使得与外加电 产生原因 场同向的电流分量减小，等价于电阻增大。通常，以磁 场引起的电阻率相对变化度量磁(电)阻效应。 物理磁阻效应：弱磁场中材料电阻率随磁场增大的效应 物理磁阻效应 几何磁阻效应 ：磁电阻效应与样品形状有关，不同几何 形状的样品，在相同强度磁场作用下，其电阻不同。这 种只由半导体形状引起的磁阻效应称几何磁电阻效应。
元件的等效电路如图所示。磁场方向与金属条夹角为任意角度时有： UB (θ)=Ucc/2 – cos(2θ)Ucc∆R/(4R0) B点输出电压变化量为：∆UB (θ)=-cos(2θ)Ucc∆R/(4R0) 可见，当元件和电源电压选定后，∆R/R0与Ucc均为常数，UB(θ) 的变化只与角度变化有关。Ucc＝6V时，灵敏度为1～3 mV/度。 UB(θ)与角度变化关系曲线如右图所示。峰值Upp在90～270mV，精 度为1％FS，在Upp的80％处精度为0.5％，在Upp的20％处为0.1％， 分辨率为0.001°。在饱和磁场情况下，磁体与元件的距离在0～ 20mm范围内，输出电压不受距离变化的影响。
强磁性金属薄膜磁敏电阻刻蚀图
当无磁信号或磁信号的磁场方向与金属条成45°角时，强磁 性金属膜的磁敏电阻RA＝RB＝RO，RA与RB电阻条相互垂直。其阻 值变化与磁场强度H变化的关系曲线如图示。 该曲线分三部分： 第一部分为零至Hr段，为不可逆段，即H↑、R||↑、R⊥↑与H↓、 R||↓、R⊥↓是不可逆的，这是磁滞所致。Hr称可逆磁场强度，约 为1 mT； 第二部分为Hr至Hs段，该段是线性很好的一段； 第三部分为Hs 后段，为饱和段。 在该段其阻值不随磁场强度变化 而变化， Hs称为饱和磁场强度。 Hs因材料和工艺条件不同而异。
3. 磁敏元件和磁传感器
3.1 强磁性金属薄膜磁敏电阻及传感器 1）磁敏电阻工作原理 磁敏电阻工作原理 基于强磁材料的磁致伸缩效应制成。利用真空镀膜或 溅射技术在氧化铝、二氧化硅等绝缘基片上形成Ni-Co 合金等强磁体金属薄膜；再刻蚀成如下图形。该图形 的膜置于磁场作用下，当磁场方向与图形金属条平行 时，金属条呈正磁致伸缩效应，其阻值R||增大；磁场 方向与金属条垂直时，金属条呈负磁致伸缩效应，其 阻值R⊥减小；当磁场方向与图形金属条夹角呈45度角 时，则金属条无磁致伸缩效应，其阻值无变化； R||和R⊥阻值变化量大小相等、 方向相反。当磁场方垂直于图形 平面时，其阻值不变。
为保证无外加磁场时薄膜桥式磁阻输出信号为零，可采用激光修 正附加电阻元件的方法，如下左图所示。 为改善器件的工作稳定性、线性度，扩大磁敏器件磁场检测范围,可 采用磁偏置技术，但一定程度上降低了器件的灵敏度，如图所示。
磁阻元件的结构
元件在磁偏条件下的工作特性曲线
MR磁敏器件的特点和应用领域 磁敏器件的特点和应用领域
等效电路
∆U0与H关系曲线图
饱和特性：元件阻值随外加磁场强度增大而增加，当信 号磁场强度大于元件饱和磁场强度时，信号磁场强度的 变化对元件无作用，这时元件对磁场强度有限幅作用。 利用该特性可检测磁场方向变化，如GPS导航系统、地 磁场角度变化等。 倍频特性：从输出式和波形图可知，元件对旋转磁信号 有2倍频作用，输入一个脉冲磁信号，输出2个脉冲磁信 号。对转体材料，可提高精度50％。
特 点 说 明
高灵敏度 低电阻 工作温度高 工作频带宽 金属薄膜技术 对机械应力不敏感 小尺寸 主要应用领域
交通控制 低成本导航 远距离金属目标探测 运动检测器 电流检测 磁场测量 直流电流测量 角度或位置测量 标记测量与计数 磁记录
允许其工作距离较大 对电干扰不灵敏 可在150℃连续工作，175℃峰值工作 从直流到几兆赫 长时间工作稳定性好 可在较恶劣的环境下工作 可做到微米尺寸，有利于集成化 说 明
2. 磁性材料及其效应
5. 磁弹性效应和磁致伸缩 某些铁磁物质在外力作用下，其内部产生机械应力引 起磁导率改变，此现象称磁弹性效应（例如压磁效应）。 相反，某些铁磁物质在外磁场作用下会变形，有些伸长， 有些压缩，这种现象称磁致伸缩。 当材料受拉时，在受力方向上磁导率增高、在与作用 力垂直的方向上磁导率降低的现象称为正磁致伸缩。与此 相反，某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而垂 直方向上磁导率增高，这种现象称逆磁致伸缩。 6. 非晶态合金（另外章节详细介绍） 这是一类新型电磁功能材料，它不仅有独特的微观结 构和优良的宏观性能，且有丰富的敏感功能和物理效应
磁阻元件结构示意图和等效电路图
由于电阻变化为对称曲线，在45°附近存在一个线性 区。在元件制作时，使AMR薄膜中的电流以45方向流 动，如图所示(惠斯通电桥中的4个AMR电阻)。在薄膜 宽度方向上制备低电阻材料层实现薄膜之间的电路， 利用电流趋向于最短路径通过AMR薄膜的特性，控制 电流以45角流过薄膜条。