磁阻 (mr) 传感器 -凯发k8国际首页登录

磁传感器

监控温度、压力、张力或流量等属性的传感器会提供与所需参数直接相关的输出信号。另一方面，磁传感器不同于大多数的这类检测器，因为磁传感器通常不是直接测量相关的物理属性，而是检测变化，或者由物体或事件造成或改变的磁场干扰。因此，磁场可能带有与方向、存在状态、旋转、角度或电流等属性相关的信息，而这些信息将由磁传感器转换为电压。少数磁传感器是完全测量磁场，例如指南针中测量地磁场。

输出信号需经过一些信号处理以转换为所需参数。显然，磁场分布取决于产生或干扰磁场的物体（即磁体、电流等）或事件的距离和形式。因此，在应用设计中，应始终考虑传感器和产生磁场的物体这两方面的因素，这一点非常重要。尽管磁传感器的使用难度更大，但却能提供精确、可靠的数据，而且无需使用物理连接。

磁阻效应

历史

1857 年，lord kelvin 将一个铁块放在磁场中，注意到铁块的电阻发生了微弱变化，由此发现了磁阻效应。但直到 100 多年后的 1971 年，才由 hunt 第一次提出了磁阻 (mr) 传感器的概念。又经过 20 年，到了 1991 年，ibm 公司在硬盘驱动器中引入了第一个 mr 头，使用一条磁阻材料来检测位数。此前，mr 传感器只是用于要求不高的价格标签和标记阅读器（只读）及磁带应用中（1985 年）。亨特元件的几何结构 - 具有感应电流 i 和磁化矢量 m 的磁阻薄膜，与薄膜平面上的电流形成角度 α，以此确定信号（见图 1）。磁场 hy 耦合到软磁传感器材料中，这将改变由感应电流探测的带条电阻系数。

过渡金属中磁阻效应的物理起源在于依赖电子散射的磁化方向。在过渡金属中，主要的电流载体是 4s 电子，因为其迁移率高于 3d 电子。当电子从平行方向迁移到磁化方向时，从 s 到 d 频段的电子散射最高。

惠斯通电桥

在大多数应用中，并不适合使用理论性的亨特元件，因为其不能提供零基准。通过使用惠斯通电桥，可避免这种劣势以及电阻的温度依赖性。

磁阻传感器

按磁场划分的传感器类型

磁阻传感器基本可分为两个类别。在高磁场应用中，例如施加场的磁场强度高到足以使软磁传感器材料达到饱和（约为 h>10 ka/m）时，传感器中的磁化矢量始终（几乎）平行于施加场。磁阻高磁场传感器的一个常见应用是非接触式角度传感器，例如 kmt32b、kmt36h 或 mls 位移传感器。在低磁场应用中，磁化矢量主要由带条的形式决定，因为磁化显示了纵向流变的自然偏好。外部磁场导致带条中磁化的 α 扭曲，这在 mr 效应的作用下改变了电阻。此模式中通常会使用线性低磁场传感器，例如 mr174b 冲模、kmy 传感器和 ms32 等开关传感器。

mr 传感器

带有线性化传递曲线

对亨特元件施加低磁场只会引起磁化的轻微变化，反过来公式 (1) 中的余弦项将很难随 α 的轻微变化发生变化。亨特元件对较小的磁场强度不敏感。为了使 mr 传感器能够感应到低磁场，必须修改 mr 传递曲线 (1)。最常用的方式是通过巴伯极来实现（见图 2）。

巴伯极是很小的高导电金属条，放置在坡莫合金的顶部。受几何结构作用，其将对坡莫合金中的电流进行分流并改变电流通路，但并不会改变磁性行为。巴伯极间隙之间的电流将沿最短的通路传递，例如垂直于巴伯极。

传感器稳定性

无论是平行还是反平行于外部磁场，磁畴的静磁能都是相同的。也就是说，稳态环境下的磁畴可能在两个方向之间摇摆不定。使用高磁场传感器后，就不会出现此问题，因为 α 的传递曲线是二次型。但使用巴伯极传感器时，会产生戏剧性效果，因为现在输出信号也发生了变化。

正因如此，诸如巴伯极传感器之类的低磁场磁阻传感器必须通过外部附加磁场 (hx) 进行稳定（偏磁），而该外部磁场最好是沿 mr 带条方向（即 x 方向）。该磁场的唯一任务是确定磁畴校准的优先方向。偏磁场必须足够强大，以确保干扰磁场无法转变磁畴。有实证研究发现，偏磁场强度大于2.5 ka/m 左右即可确保传感器保持适当性能。

永磁体和巴伯极传感器

稳定化 hx 磁场通常由永磁体产生。使用 kmy20s 或 kmz20s 时，客户必须通过永磁体来形成所需的偏磁场。kmy20m 和 kmz20m 都带有内部硬铁氧体磁铁。外部磁场的最大强度只能通过永磁体材料的稳定性进行限制。当使用 kmy20m 和 kmz20m 类型的传感器时，强度超过约 40 ka/m（500 高斯）的干扰磁场可改变永磁体的磁化方向，而且这种改变是不可逆的。这可导致偏移电压发生永久改变，且传感器功能发生损坏。通过将 s 类型传感器与其他磁体（例如稀土磁体，必须由用户提供）结合使用，可放宽这种限制。

欧姆电阻和磁阻都来源于导电电子的散射过程。所有散射过程都具有温度依赖性，因此电桥电阻和 mr 效应 ∆r/r 也会显示出温度依赖性。温度系数通常与两个温度相关，通过：

当使用坡莫合金时，电桥电阻和振幅温度系数的值基本相同，但表示符号不同，tcbr≈-tcsv。

因此，用户可以通过使用恒定电流供给来补偿灵敏度的温度依赖性。在这种情况下，电源电压会随着温度和电桥电阻升高而增加。其作用是输出电压增高，从而补偿灵敏度损失。

另一个重要值是偏移的温度系数。该温度系数的形成原因是四个电桥电阻器的温度行为中的细微差别。实际上，可以观察到输出电压偏移，但无法与磁场造成的常规输出信号区分开来。在使用直流信号耦合的应用中，偏移的温度系数将因此能限制测量的准确度。

坡莫合金是一种非常稳固的材料，在有涂层保护的情况下，可承受高达 300°c 左右的超高温度。在这种情况下，包装将成为限制因素。

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