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各向异性磁传感器：各向异性磁阻传感器与磁场测量

图5-10-1磁阻电桥
实验5-10 各向异性磁阻传感器与磁场测量
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。 磁场的测量可利用电磁感应，霍耳效应，磁阻效应等各种效应。其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。磁阻传感器可用于直接测量磁场，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。磁阻传感器也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。
磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR ），各向异性磁阻（AMR ），巨磁阻（GMR ），庞磁阻（CMR ）等阶段。本实验研究AMR 的特性并利用它对磁场进行测量。 【实验目的】
1． 了解AMR 的原理并对其特性进行实验研究。 2． 测量赫姆霍兹线圈的磁场分布。 3． 测量地磁场。 【实验原理】
各向异性磁阻传感器AMR （Anisotropic Magneto-Resistive sensors ）由沉积在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成电阻。沉积时外加磁场，形成易磁化轴方向。易磁化轴是指各向异性的磁体能获得最佳磁性能的方向，也就是无外界磁干扰时磁畴整齐排列方向。
铁磁材料的电阻与电流和磁化方向的夹角有关，电流与磁化方向平行时电阻R max 最大，电流与磁化方向垂直时电阻R min 最小，电流与磁化方向成θ角时，电阻可表示为：
R=R min ＋(R max －R min )cos2θ （5-10-1） 在磁阻传感器中，为了消除温度等外界因素对输出的影响，由4个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥，结构如图5-10-1所示。图5-10-1中，易磁化轴方向与
电
流方向的夹角为45度。理论分析与实践表明，采用45度偏置磁场，当沿与易磁化轴垂直的
方向施加外磁场，且外磁场强度不太大时，电桥输出与外加磁场强度成线性关系。
无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向平行时，磁化方向即易磁化轴方向，电桥的4个桥臂电阻阻值相同，输出为零。当在磁敏感方向施加如图29-1所示方向的磁场时，合成磁化方向将在易磁化方向的基础上逆时针旋转。结果使左上和右下桥臂电流与磁化方向的夹角增大，电阻减小ΔR ；右上与左下桥臂电流与磁化方向的夹角减小，电阻增大ΔR 。通过对电桥的分析可知，此时输出电压可表示为：
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各向异性磁传感器：各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法 AMR sensors vertical structure and manufacturing method

摘要：

本发明提供的一种各向异性磁阻传感器垂直结构及其制造方法,该结构包括:半导体衬底;第一绝缘层,覆盖该半导体衬底;磁性电阻金属条,位于该第一绝缘层上;接触金属层,位于该磁性电阻金属条上;磁阻金属短路条,位于该接触金属层上;第二绝缘层,覆盖该磁阻金属短路条,磁性电阻金属条以及第一绝缘层,并且该第二绝缘层在该磁阻金属短路条的上方具有通孔;置位复位金属布线层,位于第二绝缘层上并通过该通孔与该磁阻金属短路条接触;第三绝缘层,覆盖该置位复位金属布线层和第二绝缘层.  An anisotropic magnetoresistive sensor and a manufacturing method of the vertical structure of the present invention provides the structure comprising: a semiconductor substrate; a first insulating layer covering the semiconductor substrate; magnetic resistance of the metal strip, located on the first insulating layer ; contact metal layer disposed on the magnetic resistance of the metal strip; metal shorts magnetoresistive strip, located on the contact metal layer; a second insulating layer covering the magnetoresistive strip metal short circuit, the magnetic resistance of the metal strip and the first insulating layer, and the second insulating layer over the magnetoresistive strips of metal shorts having a through hole; Set_Reset metal wiring layer on the second insulating layer in contact with the magnetoresistive strips of metal shorts through the through hole; a third insulating layer, the set-reset covering metal wiring layer and a second insulating layer.  本发明的各向异性磁阻传感器结构简单,并且其形成方法和微电子工艺的匹配性很好,适合大批量工业化生产,有利于提高产品的可靠性,具有广泛的应用性.  Simple anisotropic magnetoresistive sensor structure of the present invention, and its method of forming a microelectronic technology and matching is very good for high-volume industrial production, it will help improve the reliability of the product, with a wide range of applicability.

展开

各向异性磁传感器：各向异性磁阻传感器的原理及其应用.pdf

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各向异性磁阻传感器的原理及其应用
裴 轶，虞南方，刘 奇，刘 进
  （北京大学，北京 )""%()）
  摘要：详细介绍了各向异性磁阻传感器的物理机理，并以*+,)""! 为例说明其测量原理、芯片以及电路的主要特
点，给出了弱磁测量的结果与分析。将                     ，       与倾角传感器相结合，可用于姿态的测量。并介绍了其在场
  *+,)"")  *+,)""!
源相关性识别中的作用和应用电路。分析了各项异性磁阻传感器的优点及前景预测。
关键词：磁阻传感器；磁畴；弱磁测量；相关性检测
中图分类号：            文献标识码：         文章编号：            （ ）
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各向异性磁传感器：各向异性磁阻（AMR）传感器的技术优势

贤集网电子测量技术频道讯：某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。1857年，Thomson发现坡莫合金的的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属, 磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。

当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时, 电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候, 磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低, 我们对这种特性称为各向异性磁电阻效应（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,简称AMR）。磁场作用效果下图。

薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化，电阻与磁场特性是非线性的，且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系。从上图中，我们可以看到，当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感，在电流方向和磁化方向成45度角度时，一般磁阻工作于图中线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。

AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb，电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加；而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。

各向异性磁阻（AMR）技术的优势有以下几点：

1、各向异性磁阻（AMR）技术最优良性能的磁场范围是以地球磁场为中心，对于以地球磁场作为基本操作空间的传感器应用来说，具有广大的运作空间，无需像霍耳元件那样增加聚磁等辅助手段。

2、各向异性磁阻（AMR）技术是唯一被验证，可以达到在地球磁场中测量方向精确度为一度的半导体工艺技术。其他可达到同样精度技术都是无法与半导体集成的工艺。因此，AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足够的精确度。

3、AMR技术只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低，不需要昂贵的制造设备，具有成本优势。

4、AMR技术具有高频、低噪和高信噪比特性，在各种应用中尚无局限性。

AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的弱磁场测量，制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。

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