磁阻傳感器是最古老的傳感器,指南針是磁阻傳感器的最早的一種應用。但是作為現代的傳感器,為了便于信號處理,需要磁阻傳感器能將磁信號轉化成為電信號輸出。由于對機械應力的低敏感性和對磁場的高敏感性,磁阻傳感器可用于定向、導航系統、磁強測量和電流傳感到汽車引擎等。
根據電場和磁場的原理,當在鐵磁合金薄帶的長度方向施加一個電流時,如果在垂直于電流的方向再施加磁場,鐵磁性材料中就有磁阻的非均質現象出現,從而引起合金帶自身的阻值變化。磁阻傳感器是基于該原理制成,具有高靈敏度、高可靠性、小體積、抗電磁干擾性好、易于安裝、廉價等特點。
(1)磁阻率
磁阻率是指材料在磁場的作用下改變電阻的能力。磁阻效應有多種,但霍尼韋爾傳感器使用的是各向異性磁阻(AMR)效應,此效應發生在包括透磁合金在內的鐵質材料中。透磁合金是鎳與鐵的合金,早在20世紀早期就被用作變壓器設計中的傳感材料。
(2)磁響應
一個專用磁控電阻器的磁響應可以電阻變化(R)與薄膜額定電阻(Ri)的比率來表示。首先,我們可以注意到其極性不靈敏,對正磁場的響應與對負磁場的響應相同;其次,有一個相當線性的區域,但當外部磁場的絕對值超過一個特定值時,該效應趨于飽和(平緩)。如透磁合金等鐵磁材料具有磁化強度,或為每單位體積磁距,此磁化強度是定義在材料每個點上的矢量。正是由于外部磁場改變了電阻,致使磁化強度矢量偏離電流方向。對極性敏感的應用,通過外部磁場使磁化強度矢量轉離電流方向,或者在傳感器設計結構中電流轉離磁化強度矢量,都可使薄膜偏置在曲線的線性區內。
(3)透磁合金特性
圖2所示為一個長而薄的透磁合金薄膜電流沿著薄膜長度方向流動。當施加一個外部磁場(B)時,薄膜的電阻變化與磁化強度矢量(M)和電流矢量(I)之間夾角θ的正弦平方成正比(θ在XZ面內)。磁化強度矢量是薄膜的內部磁場與施加的外部磁場的總凈和。內部磁場是由薄膜性質、設計的幾何形狀及制造工藝等因素而產生的。在應用環境可能的情況下,通過在一個磁性象限(四分之一圓)(即僅顯示磁鐵的單磁極)中工作,可將薄膜所顯示的一些磁滯現象(切換點變化)減至最小,AMR效應對如前所述(與θ角的正弦平方成正比)的平面內(XZ面)的外部磁場分量Bx和Bz作出響應。
(4)靈敏度
為使磁阻位置傳感靈敏度提高到最大,須滿足三個主要應用特性。
首先,傳感器與磁場應在同一平面上對準。
其次,傳感器與磁化強度間的空隙必須減至最小,磁阻電橋位于組合件的上死點附近以提高靈敏度,通過將空隙減至最小使傳感器的高斯值得以提高。
第三,施加在傳感器上的磁場強度應為最大,磁場在正確對準后工作,其方位和強度將影響傳感器靈敏度。圖3右側為傳感器由于模式而在一個滑動觸頭上使用時獲得最大靈敏度的位置。當傳感器無論靠近哪個磁極時,磁場都會改變方向,使靈敏度降低,這將隨各種應用中傳感器方位和磁鐵類型的不同而有所變化。
(5)磁阻效應與霍爾效應的比較
硅片中的霍爾效應與透磁合金薄膜中的磁阻效應兩種技術都可用于集成電路的制造,也可以用于制造全集成的單片傳感器。兩種效應都會在非時變磁場中發生,并可用來構造零速傳感器,但是MR的敏感性約是硅片中霍爾效應的100倍,而且通過選擇薄膜厚度和線寬還可對其敏感度進行調節。
在用環形磁鐵計算轉速的應用中,用MR效應代替霍爾效應的傳感器有另一個優點:由于MR傳感器的全向極性(使用N極或S極工作)而使分辨率翻倍。盡管霍爾效應所具有的優點是它對極強的磁場具有高線性響應而無飽和效應,霍爾效應薄膜會對傳感器的徑向磁場作出響應而不對切向場作出響應,如圖4所示。這是霍爾效應和磁阻效應傳感器間主要應用方面的區別。