坡莫合金磁阻传感器在弹性模量实验中的应用

第２２卷第４期　２００８年１２月　上海工程技术大学学报　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．４　Ｄｅｃ．２００８　ＪＯｕＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＳＣＩＥＮＣＥ　文章编号：１００９—４４４Ｘ（２００８）０４—０３１５—０４　坡莫合金磁阻传感器在弹性模量实验中的应用　陈余行，林　琦，周有余　（上海工程技术大学基础教学学院，上海２０１６２０）　摘要：介绍坡莫合金磁阻传感器的结构与工作原理，研究了该传感器的结构和特性以及沿磁钢　轴线上的磁场强度分布规律，并用坡莫合金磁阻传感器测量出弹性模量实验中的微小位移量．　关键词：磁电阻效应；坡莫合金；磁钢；弹性模量　中图分类号：Ｏ　４４１．２　文献标志码：Ａ　Ａｐｐｌ　ｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｅｒｍａｌ　ｌｏｙ　ＭａｇｎｅｔＯｒｅｓｊＳｔａｎＣｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｎ　Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｍｏｄｕｌｕｓ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ＣＨＥＮ　Ｙｕ—ｈａｎｇ，ＬＩＮ　Ｑｉ，ＺＨＯＵ　Ｙｏｕ—ｙｕ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｍａｌｌｏｙ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｘｅｓ　ｏｆ　ａｌｎｉｃｏ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｉｎｙ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ；ｐｅｒｍａｌｌｏｙ；ａｌｎｉｃｏ；ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ　磁电阻（ＭＲ）效应是指导体或半导体在磁场　作用下其电阻值发生变化的现象．早在１８５７年，　展和工艺成熟，促进了新一代微型磁敏器件的发　展，磁阻材料在高密度读出磁头磁传感器、微弱磁　场测量、各类运动的检测等领域有着宽广的应用，　从而成为国际上引人瞩目的研究领域．磁电阻传感　器以其特有的优点，广泛应用在磁场测量、数据存　储、汽车电子和工业控制的各个领域ｌ１１．磁阻器件　品种较多，可分为正常磁电阻、各向异性磁电阻和　巨磁电阻等．　Ｔｈｏｍｓｏｎ首先发现了铁磁多晶体的各向异性磁阻　（ＡＭＲ，Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）效应，但是　并没有引起人们的足够重视．１９８８年法国巴黎大　学的巴西学者Ｂａｉｂｉｃｈ首先在Ｆｅ／Ｃｒ多层膜中发现　了巨磁电阻效应，立即引起各国企业界及学术界的　高度重视，现已成为当前凝聚态物理５个热点之　一．２０年来，在新现象、新材料和器件、新技术应用　坡莫合金磁阻传感器是利用铁磁材料坡莫合　金（Ｆｅ２ｏＮｉ８０）的各向异性磁电阻效应制作的一种能　等方面都出现了若干突破性的进展，并形成新的学　科，即磁电子学．随着微电子、光电子技术的迅速发　够测量磁场大小和方向的传感器．这种传感器具有　收稿日期：２００８—１０一ｌ０　作者简介：陈余行（１９８０一），男，山东单县人，助教，硕士，研究方向为半导体自旋电子学　・３１６・　上海工程技术大学学报　第２２卷　体积小、功耗低、灵敏度高、抗干扰能力强、可靠性　高和易于安装等优点，在测量弱磁场以及基于弱磁　场的地磁导航、数字智能罗盘、位置测量和伪钞鉴　别等方面显示出巨大的优越性，还能用来制作高精　度的转速传感器、压力传感器和角位移传感器等，　具有广阔的应用前景．　本实验使用美国Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司生产的　ＨＭｃ１０２ｌｚ型磁阻传感器，它能够测量低至８５×　１０—１０　Ｔ的磁场，适合于弱磁场的测量　２，可以作为　位置传感器，测量水压缸冲程位置、悬置位置、液面　位置等．本实验主要研究ＨＭＣ１０２１Ｚ型磁阻传感器　的结构和特性，并用其进行弹性模量实验中微小位　移量的测量，代替现在实验中利用光杠杆测量微小　位移量的方法，对坡莫合金磁阻传感器在微小位移　量测量方面及在基础实验上的应用前景作了分析．　１　坡莫合金磁阻传感器工作原理　１．１各向异性磁电阻效应　在磁场中物质电阻会发生变化，这种现象称为　磁电阻效应．磁电阻效应有基于霍尔效应的普通磁　电阻效应和各向异性磁电阻效应之分．对于强磁性　金属（铁、钴、镍及其合金），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而变；当　外加磁场偏离金属的内磁化方向时，金属的电阻减　小，这就是各向异性磁电阻效应．　坡莫合金薄膜的电阻率依赖于磁化强度Ｍ　和电流Ｊ方向的夹角　ｌ３　，即　』Ｄ（　）＝ｐ＋（１０一１０　）ＣＯＳ２０　（１）　式中１０和ｆ０　分别是垂直平行于Ｍ时的电阻率．　由于坡莫合金在弱磁场下的电阻变化量较大，因此　适合于弱磁场条件下使用．　１．２传感器的结构　ＨＭＣ１０２１Ｚ型磁阻传感器的核心部分是４个　带状坡莫合金薄膜制成的电阻组成的惠斯通电桥，　如图１、图２所示　４　Ｊ．　合金带　电流　外加磁场　坡莫合金薄膜　图１磁阻传感器构造示意图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｌｌｏｙ　ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｅｎｓｏｒ　Ｉ　当外加磁场时，因坡莫合金具有各向异性的磁　电阻效应，电桥电阻的阻值变化，导致传感器输出　电压的变化．传感器具有两个铝制的环状电流带，　一个是置位和复位电流带（ｓＥＴ／ＲＥＳＥＴ　ＳＴＲＡＰ），可用来修正传感器的灵敏度，也可用于　置位和复位输出极性；另一个是补偿电流带（ＯＦＦ—　ＳＥＴ　ＳＴＲＡＰ），用来抵消外界的环境磁场．　１．３传感器的工作原理　若供给传感器内部的惠斯通电桥的工作电压　为Ｖ　，传感器的铁磁合金带的长度方向将通过一　个电流，其中通过各个电阻的电流方向如图１所　示．在铁磁合金带的宽度方向施加磁场，导致对角　上的两个电阻的内磁化方向朝着电流方向转动，０　减小，电阻增大；另外两个电阻的内磁化方向背向　电流转动，　角增大，电阻减小．通过电阻阻值的变　化将外加磁感应强度转换成差动输出的电压，该　输出电压可用下式表示　Ａ　Ｖ。　＝　ｂ　（２）　１Ｘ　式中：Ｒ为薄膜沌阻；ＡＲ／Ｒ为阻值的相对变化　量；Ｖ　为传感器的工作电压．　ＨＭＣ１０２１Ｚ型磁阻传感器的线性输出范围为　±６×１０－４　Ｔ，在此范围内，传感器的输出满足下列　关系，即　Ｖｏｕ　＝ＳＢ＋Ｖｎ　（３）　式中：Ｖ　为传感器的输出电压；ｓ为传感器的灵　敏度；Ｂ为要测量的磁感应强度；Ｖ　为外磁场为０　时，传感器自带的零磁场输出＿４　Ｊ．　２　实验仪器　实验仪器由６部分组成：　１）弹性模量测定装置，包括砝码组、光杠杆装　第４期　陈余行，等：坡莫合金磁阻传感器在弹性模量实验中的应用　置、米尺；　２）磁钢及ＨＭＣ１０２１Ｚ型磁阻传感器；　３）直流稳压电源（０～２５　Ｖ），用于提供传感器　工作电流；　４）四位半直流数字电压表（０～１．９９９　９　Ｖ），　用于测量传感器输出电压；　５）标准磁场实验装置，包括直流稳流电源（０　～２００　ｍＡ）、亥姆霍兹线圈（匝数Ｎ：５００／－１＂，线圈　间距ｒ＝１０　Ｃ１ＴＩ），用于测量传感器输出特性．　３　实验方法和内容　在利用传感器测量弹性模量实验中的微小位　移量时，一块磁钢固定在弹性模量测定装置中悬于　钢丝下方的砝码盘中心，将坡莫合金磁阻传感器放　置在磁钢正下方的一定位置上．当在砝码盘中增加　砝码时，磁钢在竖直方向上产生微小的位移，从而　改变传感器所在位置的磁场强度．磁场强度的改变　会导致传感器输出电压的改变，利用电压表测量输　出电压，利用光杆杆法测量出磁钢的微小位移，并　寻找出两者的函数关系，就可以由输出电压的变化　直接测量出微小位移量．　在实验中，首先，必须了解所使用传感器的输　出性能和灵敏度；其次，需要了解沿磁钢轴线上的　磁场强度分布规律，找出适合传感器工作的范围；　再次，根据传感器的性能和磁场强度分布规律，安　放磁钢和传感器并进行测量；最后对所测数据进行　分析，拟合出变化关系函数．　４　实验结果　４．１传感器的灵敏度测量　本实验采用亥姆霍兹线圈来校准ＨＭＣ１０２１Ｚ　型磁阻传感器的灵敏度．亥姆霍兹线圈中央位置处　的磁感应强度为　８／３＝　’・　　（４）‘４’　式中：Ｎ为线圈匝数；Ｊ为流经线圈的电流强度；Ｒ　为亥姆霍兹线圈的平均半径；ｉｆ０为真空磁导率Ｅ５］．　在传感器工作电压为５Ｖ时，测量结果如图３　所示．从实验结果可得到，在传感器的工作磁场范　围０～６　ｍＴ内，传感器的灵敏度为４６．４５（Ｖ／Ｔ），　相关系数ｒ＝０．９９９，体现了传感器很好的线性输　出功能．　图３传感器输出电压与亥姆霍兹线圈电流关系图　Ｆｉｇ．３　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｖ０ｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ　ｃｏｉｌｓ　４．２磁钢轴线磁场变化测量　为了保证传感器的线形输出，必须使传感器所　处的磁场在０～６×１０　Ｔ这一范围内，因此，必须　对磁钢轴线上的磁场大小及其变化情况进行测定，　以确定传感器的放置位置．　将磁钢固定在螺线管磁场测定组合仪的螺线　管一端，使霍尔元件沿磁钢轴线移动，在磁钢轴线　上不同位置测量霍尔电压，得到测量结果如图４　所示．　图４霍尔电压和磁钢轴线上磁钢与　霍尔元件距离关系图　Ｆｉｇ．４　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｈａｌｌ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ａｌｎｉｃｏ　ａｎｄ　Ｈａｌｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｌｎｉｃｏ　ａｘｉｓ　经过拟合，霍尔电压　与距离ｚ之间满足关　系式为　Ｖ＝１．１６十１６３．５×ｚ一　（５）　相关系数ｒ＝０．９９９．　根据４．１中测量得到的传感器输出特性，可知　在距离磁钢位置８～１３　ｃｍ处，磁感应强度的大小　和变化速度都处在传感器线形输出的工作范围内，　可以较好地实现测量．　・３１８・　上海工程技术大学学报　第２２卷　４．３利用传感器测量弹性模量实验中的微小位移量　将磁钢置于砝码盘下端中心，将传感器固定在　磁钢下方９　ｃｍ处，在砝码盘中增加砝码，利用直流　电压表测量传感器输出电压Ｖ　，利用光杆杆法测　量出磁钢的微小位移Ａｈ，图５为测量结果．　图５传感器输出电压与磁钢位移Ａｈ关系图　Ｆｉｇ．５　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｖｏｕｔ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｌｎｉｃｏ　经过拟合，传感器输出电压　与磁钢位移　Ａｈ满足关系为　Ａｈ＝０．０００　５４＋０．０３５＊（Ｖ　一２５）　（６）　相关系数ｒ＝０．９９９，这说明，利用坡莫合金传　感器测量弹性模量实验中的微小位移量的方案是　充分可行的．　需要指出的是根据霍尔电压Ｖ与距离　之间　关系，可以推导出理论上磁钢位移Ａｈ与传感器输　出电压　。　应当满足关系Ａｈ＝ｎ—ｂ（　。　＋　ｃ）　，这与实验拟合结果是不同的．经过深入分　析，笔者发现，这是由于在加放砝码时，磁钢周围的　磁场强度受到所加砝码的影响造成的．但是，这只　是改变了磁钢轴线上的磁感应强度的变化形式，对　传感器输出电压Ｖ　与磁钢位移△ｈ两者的对应　关系没有影响，从相关系数ｒ＝０．９９９也可以看　出，这并不影响这种实验方案的可行性．　５　结　语　本实验研究了坡莫合金磁阻传感器的主要特　性，证明了ＨＭＣ１０２１Ｚ型磁阻传感器在０～６×　１０　Ｔ的磁场范围内具有很好的线性输出；探寻　了磁钢轴线上磁场强度变化的规律；尝试利用磁阻　传感器测量弹性模量实验中的微小位移量．实验证　明，利用高灵敏度的磁阻传感器来测量微小位移　量，可以消除在使用光杠杆法测量微小位移量时带　来的视觉误差和长度测量误差，提高实验的精度，　是切实可行的．此外，本实验将坡莫合金磁阻传感器　引入基础物理实验中，使实验者在做基础物理实验　的同时，接触并了解了先进的科学技术，给基础物理　实验引入新装置、新方法和新内容，可以大大提高学　生的学习兴趣，值得在物理实验教学中推广．　参考文献：　［１］蔡建旺，赵见高，詹文山，等．磁电子学中的若干问题　［Ｊ］．物理学进展，１９９７，１７（２）：１１９—１４９．　［２］Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ中国公司．霍尼韦尔固态传感器说明书　［Ｚ］．２００１．　［３］过璧君．薄膜磁阻传感器［Ｍ］．福建：福建科技出版　社．１９９３．　［４］黄一菲，郑神，吴亮，等，坡莫合金磁阻传感器的特　性研究和应用［Ｊ］．物理实验，２００２，２２（４）：４５—４８．　［５］赵凯华，陈熙谋．电磁学［Ｍ］．（第２版）．北京：高等　教育出版社，２００６．