1、基于锁相放大器的 AMR传感器 1 中文 7513 字 ,5865 单词， 28000 英文字符 出处 : Daz-Michelena M, Cobos P, Aroca C. Lock-in amplifiers for AMR sensorsJ. Sensors and Actuators A: Physical, 2015, 222: 149-159. 基于锁相放大器的 AMR传感器 Lock-in amplifiers for AMR sensors Marina Daz-Michelena 空间磁实验室，西班牙国家航天技术研究所 摘要： AMR 因其相对较低的质量和易用性，通常作为应
2、用于中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/G 或 102 /T）级别的磁场，可以达到典型最小可检测领域（ nT 甚至 0.1nT）。 但是，由于温度变化（ 2.5/ C）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 AMR 传感器的限制都有了概述和研究。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 响应温度补偿的技术。 最终目标是 利用 限定 ASIC 电路 紧凑小型化磁力 实现这些
3、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 一、引言 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中研究发现，但在不同的材料中其强度也相异。 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。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
4、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， 为磁化矢量与易磁化轴的角度，则处于磁场 H中坡莫合金基于锁相放大器的 AMR传感器 2 电阻的磁能密度表达式有两个相关项：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=K cos2()- Ms H cos() (1) 图 1. AMR 自旋轨道耦 合 为了研究在磁场强度 H 下磁化矢量的平衡取向，对其表达式求导并使之为零，得出磁化矢量相对易磁化轴的平衡角度为： =0， arccos(Ms H/2K) 坡莫合金的电阻可用 的函数表示，而电阻的变化可以间接测量磁场
5、的变化： R () = R0 + R cos2() （ 2） 其中， R 为被测量的电阻， R0为零磁场下的电阻， R 为磁化电阻。这可以为解释磁化和电流的相对方向引起材料的电阻率差异，如当电流与磁化矢量同向（ M）时材料的电阻率和当电流与磁化矢量方向垂直 M 时的电 阻率（图 2a）。 图 2(a) AMR 装置指示与磁化矢量平行及垂直时电流、磁化方向和电阻率 基于锁相放大器的 AMR传感器 3 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（形状各异性）方向、垂直方向以及感应方向产生联系。AMR 是偶效应，因而不能
6、分辨不同领域的迹象。为在奇效应中变换测量方法，坡莫合金带通常会有螺旋条状纹偏向，由一组铜微带相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相对，同时避免因 磁畴壁移动所需能量产生的巴克豪森噪声。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： Rreset= R cos2arcos(MsH/2K)- /4 Rset= R sin2arcos(MsH/2K)- /4 (3) 在复 位脉冲后归一化的电阻值
