深度解读磁传感器

坡莫合金的AMR效应

磁阻变化值与角度变化的关系
薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化，电阻与磁场特性是非线性的，且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系。从上图中，我们可以看到，当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感，在电流方向和磁化方向成45度角度时，一般磁阻工作于图中线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。

AMR磁传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb，电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加；而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。

AMR磁阻传感器等效电路
各向异性磁阻（AMR）技术的优势有以下几点：
1. 各向异性磁阻（AMR）技术最优良性能的磁场范围是以地球磁场为中心，对于以地球磁场作为基本操作空间的传感器应用来说，具有广大的运作空间，无需像霍耳元件那样增加聚磁等辅助手段。

2.各向异性磁阻（AMR）技术是唯一被验证，可以达到在地球磁场中测量方向精确度为一度的半导体工艺技术。其他可达到同样精度技术都是无法与半导体集成的工艺。因此，AMR可与CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足够的精确度。

3.AMR技术只需一层磁性薄膜，工艺简单，成本低，不需要昂贵的制造设备，具有成本优势。

4.AMR技术具有高频、低噪和高信噪比特性，在各种应用中尚无局限性。

AMR磁阻传感器可以很好地感测地磁场范围内的弱磁场测量，制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，用来检测一些铁磁性物体如飞机、火车、汽车。其它应用包括各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机、旋转位置传感、电流传感、钻井定向、线位置测量、偏航速率传感器和虚拟实景中的头部轨迹跟踪。

巨磁阻（GMR）传感器
与霍尔（Hall）传感器和各向异性磁阻（AMR）传感器相比，巨磁阻（GMR, Giant Magneto Resistance）传感器要年轻的多！这是因为GMR效应的发现比霍尔效应和AMR效应晚了100多年。

1988年，德国科学家格林贝格尔发现了一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。同时，法国科学家费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍。费尔和格林贝格尔也因发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

一般的磁铁金属，在加磁场和不加磁场下电阻率的变化为1%~3%，但铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属构成的多层膜，在室温下可以达到25%，低温下更加明显，这也是巨磁阻效应的命名缘由

GMR和AMR在外加磁场下电阻率变化示意图

"巨"（giant）来描述此类磁电阻效应，并非仅来自表观特性，还由于其形成机理不同。常规磁电阻源于磁场对电子运动的直接作用，呈各向异性磁阻，即电阻与磁化强度和电流的相对取向有关。相反，GMR磁阻呈各向同性，与磁化强度和电流的相对取向基本无关。

巨磁阻效应仅依赖于相邻磁层的磁矩的相对取向，外磁场的作业只是为了改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向。除此以外，GMR效应更重要的意义是为进一步探索新物理--比如隧穿磁阻效应（TMR: Tunneling Magnetoresistance）、自旋电子学（Spintronics）以及新的传感器技术奠定了基础。

GMR效应的首次商业化应用是1997年，由IBM公司投放市场的硬盘数据读取探头。到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。

GMR传感器的材料结构
具有GMR效应的材料主要有多层膜、颗粒膜、纳米颗粒合金薄膜、磁性隧道结合氧化物、超巨磁电阻薄膜等五种材料。其中自旋阀型多层膜的结构在当前的GMR磁阻传感器中应用比较广泛。

自旋阀主要有自由层（磁性材料FM），隔离层（非磁性材料NM），钉扎层（磁性材料FM）和反铁磁层（AF）四层结构。

自旋阀GMR磁阻传感器基本结构

GMR磁阻传感器由四个巨磁电阻构成惠斯通电桥结构，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。当相邻磁性层磁矩平行分布，两个FM/NM界面呈现不同的阻态，一个界面为高阻态，一个界面为低阻态，自旋的传导电子可以在晶体内自由移动，整体上器件呈现低阻态；

而当相邻磁性层磁矩反平行分布，两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后，遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层，并在那里受到强烈的散射作用，没有哪种自旋状态的电子可以穿越FM/NM界面，器件呈现高阻态。