磁阻传感器与地磁场测量-中国民航大学

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1、实验15磁阻传感器与地磁场测量地球本身具有磁性，所以地球和近地空间之间存在着磁场，叫做地磁场。地磁场的数值比较小，约T量级，但在直流磁场测量，特别是弱磁场测量中，往往需要知道其数值，并设法消除其影响。地磁场作为一种天然磁源，在军事、工业、医学、探矿等众多领域有着广泛的应用。本实验采用新型坡莫合金磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场的水平分量和垂直分量；测量地磁场的磁倾角。从而掌握磁阻传感器的特性及测量地磁场的一种方法。由于磁阻传感器体积小，灵敏度高，易安装，因而在弱磁场测量方面有广泛的应用前景。实验目的

2、和学习要求1.了解什么是磁阻效应？磁阻效应的物理机制？2．了解HMC1021Z型磁阻传感器的结构原理及特性；3.用磁阻传感器测定地磁场磁感应强度及地磁场的水平分量和地磁倾角。实验原理1.地磁场地球磁场跟地球引力场一样，是一个地球物理场，它是由基本磁场与变化磁场两部分组成的。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，与电离层的变化和太阳活动等有关，并且很微弱。图15-1地磁场要素地磁场也是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向，需要3个独立的

3、地磁要素。常用的地磁要素有7个，即地磁场总强度B，水平强度B∥，垂直强度B⊥，X和Y分别为B∥的北向和东向分量，α和β分别为磁偏角和磁倾角。地磁场的强度和方向随地点(甚至随时间)而异。地磁场的北极、南极分别在地理南极、北极附近，彼此并不重合，如图15-1.5所示，而且两者间的偏差随时间不断地在缓慢变化。地磁轴与地球自转轴并不重合，有11o交角。在一个不太大的范围内，地磁场基本上是均匀的，可用三个参量来表示空间某一点地磁场的方向和大小(如图15-1.6所示)：磁偏角α：地球表面任一点的地磁场矢量所在垂直平面

4、(图6中B∥与Z构成的平面，称地磁子午面)，与地理子午面(图6中X、Z构成的平面)之间的隔角。磁倾角β：地磁场强度矢量B与水平面(即图6中的O-XY平面)之间的夹角。水平分量B∥：地磁场矢量B在水平面上的投影。测量地磁场的这三个参量，就可确定某一地点地磁场B矢量的方向和大小。当然这三个参量的数值随时间不断地在改变，但这一变化极其缓慢微弱。地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，地球磁层是一个颇为复杂的问题，其中的物理机制有待于深入研究。随着科学技术的发展，人类渴望全面认识地球的强烈愿望将逐步成为现实。图

5、15-2磁阻效应1.磁阻效应磁阻效应是指置于磁场中的某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。如图所示的长方形半导体薄片（N型）处于图示方向的磁场中，设CD方向通有直流电流，半导体内的载流子将受到洛仑兹力的作用而发生偏转。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在A、B两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或

6、者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加，这种现象称为磁阻效应。若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的驰豫时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载流子偏移，因而无纵向磁阻效应。图15-3电阻的相对变化与外磁场的关系目前，磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率△R/R与外磁场的关系都

7、是相似的，其关系如图所示。可见磁阻效应对外磁场的极性不灵敏，即正负磁场的响应相同；在外加磁场较小时△R／R与磁场强度的平方成正比，之后有一段线性区域，但当外加磁场超过特定值时，响应趋于饱和。另外△R／R对总磁场的方向很灵敏，总磁场为外磁场与内磁场之和，而内磁场与磁阻薄膜的性质及几何形状有关。对于铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；当外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，此类金属的电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。3.磁阻传感器HMC1021Z型

8、磁阻传感器由长而薄的坡莫合金(铁镍合金)制成一维磁阻微电路集成芯片(二维和三维磁阻传感器可同时测量二维或三维磁场)。它利用通常的半导体工艺，将铁镍合金薄膜附着在硅片上如图15-1所示。薄膜的电阻率依赖于磁化强度和电流方向间的夹角，具有以下关系式(15-1)其中、分别是电流平行于和垂直于时的电阻率。当沿着铁镍合金带的长度方向通以一定的直流电流，而垂直于电流方向施加一个外界磁场时，合金带自身的阻值会生较大的变化，利用合金带阻值这一