基于锁相放大器的amr传感器

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1、基于锁相放大器的AMR传感器MarinaDiaz-Michelena空间磁实验室，西班牙国家航天技术研究所摘要：AMR冈其相对较低的质量和易用性，通常作为应用于屮低强度磁场分辨率的传感器。AMR传感器用于测量地磁场强度（典型的灵敏度在1%VG或10-2%o/T）级别的磁场，可以达到典型最小可检测领域（nT甚至0.InT）。但是，由于温度变化（〜2.5%。/。0引起的电阻率变化导致的热漂移现象，严重限制了AMR传感器的性能。因此，对于较低磁场来说磁通门矢量传感器是首选。在目前的工作中，这些对AMK传感器的限制都冇了概述和研究。三种基于锁相放大器的方法可以作为低噪音手段，其反应已经通过了

2、仿真、实验测试及比较讨论。开发模型也可用于获得一种AMR响放温度补偿的技术。最终目标是利用限定ASIC电路紧凑小型化磁力实现这些技术在某些空间火星原位探测的应用。关键词：磁传感器AMR磁力检测装置磁通门传感器低噪声和温度补偿各向异性磁阻（AMR）是由磁化矢量在电流方向投影的改变而引起的电阻变化。这是自旋轨道耦合产生的效应（图1）。当电流通过一段材料时，运动的电子会发生散射。这种散射是材料中的电子云分布的应变作用，其分布与磁化强度有关。电磁效应可在所有材料屮研究发现，但在不同的材料屮其强度也相异。坡莫合金（即铁镍合金）表现出了约高达2-3%的电磁效应，基于此效应使之非常适用于磁传感器。

3、坡莫合金内部存在各向异性，易使磁偶极子朝某一方向（易磁化轴）运动。外部磁场的存在，导致坡莫合金磁化以应变各向异性。设U为磁能密度，K为各向异性常量，H为磁场强度，Ms为饱和磁化量，（p为磁化矢量与易磁化轴的角度，则处于磁场H屮坡莫合金电阻的磁能密度表达式冇两个相关项：一个与各向异性能量相关，另一个与电磁效应的磁化强度有关。U=Kcos2（（p）~MsIIcos（＜p）LowResistivityHighResistivity(a)I(b)图1.AMR自旋轨道耦合为Y研究在磁场强度H下磁化矢量的平衡取向，对其表达式求导并使之为零，得出磁化矢量和对易磁化轴的平衡角度为：(p=0，arcc

4、os(LH/2K)坡莫合金的电阻可用(P的函数表示，而电阻的变化可以间接测量磁场的变化：R(e}IOAOUT-乂々4一‘--OUT+I冬I2(a)AMR装置指示与磁化矢fi平行及垂直时电流、磁化方句和电阯率图2(b)AMR惠斯通电桥:电阻1和3偏同一磁化方向，电阻2和4在垂直方向使坡莫合金的核心的磁化轴(形状各

5、异性)方A、垂直方向以及感应方A产生联系。AMR是偶效应，因而不能分辨不同领域的迹象。为在奇效应屮变换测量方法，坡莫合金带通常会有螺旋条状纹偏向，由一组铜微带和对电线接触之间倾斜45°(即/4)插入坡莫合金，使电流以_45°方向通过薄层(图2a)。传感器设有一个置位/复位带线圈以磁化坡莫合金的磁芯，由此使磁旋转首先在磁化轴方向排列导致响应曲线线性化与磁场和对，同时避免因磁畴壁移动所需能量产生的巴克豪淼噪声。可以通过高强度的短电流脉冲执行，以此在磁化轴方向时坡莫合金磁芯达到饱和状态。这种翻转可以在任意两个方向(置位/复位操作)执行来减小抵消和滞后。按照图2a的预计，在外部磁场H中单个坡

6、莫合金的磁芯的电阻值在置位或复位脉冲后会在相反的方向有互补的投影：RrcSct=Racos2[arcos(M?H/2K)-Ji/4]Rset=RAsin2[arcos(MSH/2K)-Ji/4](3)在复位脉冲后归一化的电阻值关干磁场的函数绘制在图3(a:仿真，b:使用霍尼韦尔商用传感器HMC1002实验曲线)屮。注意到，即使给出Y磁场的函数方程，在图像上代表了磁感应，因为大多数用户通常把灵敏度作为奥斯拉或特斯拉的函数。而且，在我们实验设置屮B与H成比例即真空磁导率为u。的比例常数。最常见测量电附的方法是通过惠斯通电桥，所以多数商用AMR装置具有四个磁电阻的惠斯通电桥(图2b)。惠斯

7、通电桥中的四个坡莫合金磁芯会保持平衡并产生成对的磁偏置现象(阁2b)。磁场的存在下，磁芯会改变磁化状态，电桥的差分电压为：Vset/reSet=V+-V-=[R1/(R,+R3)+R2/(R2+R,)]Vbridge(4)室温下几十纳米的坡莫合金磁芯的差分电压是桥电压的2%,适用于中低强度的测量领域。典型的分辨率在nT量级，有些工作已达到nT量级的十分位分辨率。为了达到最佳分辨率，传感器通常运行在连续设置的置位/复位模式。由一组持续吋间数秒且足够强度的电流