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巨磁电阻（GMR）磁场传感器的工作原理

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磁电阻（GMR）效应是1988年发现的一种磁致电阻效应，由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，因此名为巨磁电阻(Giant Magnetoresistanc)，简称GMR。

1. 巨磁电阻（GMR）原理，见图一。

巨磁电阻（GMR）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。赋以特殊的结构设计这种效应还可以调整以适应各种不同的性能需要。

反铁磁耦合时（外加磁场为0）处于高阻态的导电输出特性，电阻：R1/2

外加磁场使该磁性多层薄膜处于饱和状态时（相邻磁性层磁矩平行分布），而电阻处于低阻态的导电输出特性，电阻：R2*R3/（R2+R3），R2>R1>R3
图1、利用两流模型来解释GMR的机制

2. 巨磁电阻（GMR）传感器原理，见图二。

巨磁电阻（GMR）传感器将四个巨磁电阻（GMR）构成惠斯登电桥结构，该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器灵敏度。工作时图中“电流输入端”接5V~20V的稳压电压，“输出端”在外磁场作用下即输出电压信号。

图2（1）：惠斯凳电桥在磁场传感器应用中的原理

图2（2）：惠斯凳电桥中R1和R2在外加磁场作用下的变化情况

3. 巨磁电阻（GMR）传感器性能，见图三，表一。

图三所示为巨磁电阻（GMR）传感器在外场中的性能曲线，表明该传感器在±200Oe的磁场范围类有较好的线性。

图3：巨磁电阻（GMR）在外加磁场下的性能曲线

表一各公司巨磁电阻（GMR）传感器性能对照

4.产品使用说明

a . 巨磁电阻（GMR）传感器作为一种有源器件，其工作必须提供5~20V的直流电源。而且该电源的稳定性直接影响传感器的测试精度，因此要求以稳压电源提供；使用中也应避免过电压供电；

b .巨磁电阻（GMR）传感器作为一种高精度的磁敏传感器，对使用磁环境也有一定的要求，其型号选用应根据使用环境的磁场大小来决定；

c. 巨磁电阻（GMR）传感器对磁场的灵敏度与方向有关。其外形结构上标注的敏感轴为传感器对磁场最为灵敏的方向，

参见图四。当不平行时，灵敏度降低，其关系为

Sθ=S0COSθ

其中Sθ为磁场方向与传感器敏感轴间的夹角为θ时的灵敏度，S0为磁场方向与传感器敏感轴平行时的灵敏度。

图4 巨磁电阻（GMR）传感器外形结构及接线图

d. 对于输出特性相对于外磁场为偶函数时，则将传感器作为测量使用时需要外加偏置磁场。理想情况偏置磁场的大小为传感器保持线性范围磁场的1/2。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/19/2008)


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