磁阻传感器是最古老的传感器,指南针是磁阻传感器的最早的一种应用。但是作为现代的传感器,为了便于信号处理,需要磁阻传感器能将磁信号转化成为电信号输出。由于对机械应力的低敏感性和对磁场的高敏感性,磁阻传感器可用于定向、导航系统、磁强测量和电流传感到汽车引擎等。
根据电场和磁场的原理,当在铁磁合金薄带的长度方向施加一个电流时,如果在垂直于电流的方向再施加磁场,铁磁性材料中就有磁阻的非均质现象出现,从而引起合金带自身的阻值变化。磁阻传感器是基于该原理制成,具有高灵敏度、高可靠性、小体积、抗电磁干扰性好、易于安装、廉价等特点。
(1)磁阻率
磁阻率是指材料在磁场的作用下改变电阻的能力。磁阻效应有多种,但霍尼韦尔传感器使用的是各向异性磁阻(AMR)效应,此效应发生在包括透磁合金在内的铁质材料中。透磁合金是镍与铁的合金,早在20世纪早期就被用作变压器设计中的传感材料。
(2)磁响应
一个专用磁控电阻器的磁响应可以电阻变化(R)与薄膜额定电阻(Ri)的比率来表示。首先,我们可以注意到其极性不灵敏,对正磁场的响应与对负磁场的响应相同;其次,有一个相当线性的区域,但当外部磁场的绝对值超过一个特定值时,该效应趋于饱和(平缓)。如透磁合金等铁磁材料具有磁化强度,或为每单位体积磁距,此磁化强度是定义在材料每个点上的矢量。正是由于外部磁场改变了电阻,致使磁化强度矢量偏离电流方向。对极性敏感的应用,通过外部磁场使磁化强度矢量转离电流方向,或者在传感器设计结构中电流转离磁化强度矢量,都可使薄膜偏置在曲线的线性区内。
(3)透磁合金特性
图2所示为一个长而薄的透磁合金薄膜电流沿着薄膜长度方向流动。当施加一个外部磁场(B)时,薄膜的电阻变化与磁化强度矢量(M)和电流矢量(I)之间夹角θ的正弦平方成正比(θ在XZ面内)。磁化强度矢量是薄膜的内部磁场与施加的外部磁场的总净和。内部磁场是由薄膜性质、设计的几何形状及制造工艺等因素而产生的。在应用环境可能的情况下,通过在一个磁性象限(四分之一圆)(即仅显示磁铁的单磁极)中工作,可将薄膜所显示的一些磁滞现象(切换点变化)减至最小,AMR效应对如前所述(与θ角的正弦平方成正比)的平面内(XZ面)的外部磁场分量Bx和Bz作出响应。
(4)灵敏度
为使磁阻位置传感灵敏度提高到最大,须满足三个主要应用特性。
首先,传感器与磁场应在同一平面上对准。
其次,传感器与磁化强度间的空隙必须减至最小,磁阻电桥位于组合件的上死点附近以提高灵敏度,通过将空隙减至最小使传感器的高斯值得以提高。
第三,施加在传感器上的磁场强度应为最大,磁场在正确对准后工作,其方位和强度将影响传感器灵敏度。图3右侧为传感器由于模式而在一个滑动触头上使用时获得最大灵敏度的位置。当传感器无论靠近哪个磁极时,磁场都会改变方向,使灵敏度降低,这将随各种应用中传感器方位和磁铁类型的不同而有所变化。
(5)磁阻效应与霍尔效应的比较
硅片中的霍尔效应与透磁合金薄膜中的磁阻效应两种技术都可用于集成电路的制造,也可以用于制造全集成的单片传感器。两种效应都会在非时变磁场中发生,并可用来构造零速传感器,但是MR的敏感性约是硅片中霍尔效应的100倍,而且通过选择薄膜厚度和线宽还可对其敏感度进行调节。
在用环形磁铁计算转速的应用中,用MR效应代替霍尔效应的传感器有另一个优点:由于MR传感器的全向极性(使用N极或S极工作)而使分辨率翻倍。尽管霍尔效应所具有的优点是它对极强的磁场具有高线性响应而无饱和效应,霍尔效应薄膜会对传感器的径向磁场作出响应而不对切向场作出响应,如图4所示。这是霍尔效应和磁阻效应传感器间主要应用方面的区别。