磁阻效应试验研究

　　磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。90年代以来历年发表的有关磁阻的科研文章较多，但是结合实验性进行研究的文章较少;统计数据来自中国知网。然而，上述原因也导致了磁阻效应的研究前沿处于飞速扩展状态中，不断有相关的新物理现象和概念被发现或创造，不断地有新的研究内容被纳入到磁阻效应研究的领域。事实上，从2005年以来，平均每年已经有近8篇左右关于磁阻效应研究的综述性文章发表在重要学术刊物上。即使这样，受限于著述者的研究背景和研究兴趣，仍有不少研究内容未能及时被这些综述文章涉及，这就使得对磁阻效应研究的热点进行全面追踪十分困难。磁阻元件的发展经历了半导体磁阻（MR），各向异性磁阻（AMR），巨磁阻（GMR），庞磁阻（CMR）等阶段。因此，本实验研究AMR的特性并利用它对磁场进行测量。

　　磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。磁场的测量可利用电磁感应，霍尔效应，磁阻效应等各种效应。其中磁阻效应法发展最快，测量灵敏度最高。磁阻传感器可用于直接测量磁场或磁场变化，如弱磁场测量，地磁场测量，各种导航系统中的罗盘，计算机中的磁盘驱动器，各种磁卡机等等。也可通过磁场变化测量其它物理量，如利用磁阻效应已制成各种位移、角度、转速传感器，各种接近开关，隔离开关，广泛用于汽车，家电及各类需要自动检测与控制的领域。

　　郭鑫（2015）研究表示，地磁场是存在于地球表面以及近地空间的微弱磁场。作为一种天然的磁场，它在军事导航、通讯、地质勘探、地震预报等众多领域有着重要的作用。基于此，准确高效的测量地磁场也就显得至关重要。其以各向异性磁阻传感器作为地磁场感知探头，构建了微弱磁信号提取放大集成电路并结合单片机控制和滤波软件设计，研究设计了具有低功耗、便携、低成本等优势的地磁场探测系统，最终实现了一款基于各向异性磁阻效应可有效测量地磁场的传感探测系统。主要研究内容包括以下几个方面:首先，介绍了各向异性磁阻效应、惠斯通电桥等的工作原理，探讨了采用AMR传感单元(HMC1021Z和HMC1022)作为地磁场探测的工作原理。讨论并验证测量地磁场的可行性和相关方案。其次，进行探测系统部分电路设计，系统主要由磁场探测单元、置位/复位单元、信号处理单元、单片机控制及显示单元和电源模块组成。针对信号噪声影响采取了软件和硬件相结合方式进行滤波，可以有效的消除mV级别噪声的干扰。在信号放大电路设计上，从芯片选择到供电的不同做了多种方案进行对比分析，最后选择了AD623单电源供电放大电路设计方案。在电源设计上，为了测试的灵活性，做了电池供电和220V交流供电两种方式。在输出显示上选择LCD液晶显示器，可以显著减小功耗。在此基础上，我们对传感器进行了标定，得到电压随磁场变化特性曲线，克服了因为传感器本身的偏差造成误差的问题，实现了对地磁场的探测，获得了地磁场的典型测量结果为0.520Gauss，与实际相符。最后，在实现地磁场大小探测的基础上，对二维磁阻式电子罗盘进行了初步探究并完成设计，绘制出磁场随角度的变化而变化的曲线。基于探测数据，此电子罗盘可有效识别角度，可为地磁导航提供技术支持。

　　王善祥（2016）研究认为，智能电网的快速发展使其对高性能传感器的需求日益强烈。为此，文中针对电力系统应用需求设计了基于巨磁阻效应的宽频大电流传感装置，包括放大、滤波、退磁和供电等调理电路，并考虑智能电网中传感器高压、强干扰的应用场合，对装置进行了电磁屏蔽设计和印刷电路板抗干扰设计。计算结果表明该装置对工频磁场的屏蔽效能达到41.6 d B，抗干扰测试结果表明所设计传感器具备抵抗强电磁干扰能力，同时实验结果表明该装置对雷电流测量准确度>93.9%。基于巨磁阻效应的宽频大电流传感装置有效实现了对直流到10 MHz带宽的大电流的准确测量，相对其他电流测量装置具有更高的灵敏度和电流测量范围，适应了智能电网的发展需求。

　　王蕴杰（2015）对磁阻效应作用原理和磁阻传感器原件的应用进行了介绍，并借鉴数据挖掘技术提出了一种利用曲率及K-means均值聚类算法对磁阻效应实验数据进行分析处理的方法，结果显示该方法具有高精确度、人为因素小、直观性强的优点。

　　Richard Engelkemeir（2010）介绍了巨磁阻效应的发现、发展与目前的应用情况，在自制的实验平台上，对国内某公司生产的自旋阀型巨磁阻传感器的线性区间、静态灵敏度、分辨率、磁滞等方面进行测试。在测试结果的基础上，对巨磁阻传感器的应用进行探讨，并为以后其在涡流传感器的应用奠定基础。

　　1）磁阻传感器的基本工作原理。

　　2）赫姆霍兹线圈的磁场分布测量。

　　3）地磁场测量。

　　4）了解AMR的原理并对其特性进行实验研究。

　　研究内容安排如下:首先回顾一下磁阻效应研究的历史,介绍磁阻效应和霍尔效应的有关概念,然后评述到目前为止所揭示的产生磁阻效应的物理机制,其中将重点介绍大学物理磁阻效应的实验研究,主要为一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。通过实验研究这就有利于我们从更深刻的角度把握磁阻效应的本质,从而扩大研究范围；接下来将介绍有关磁阻效应的应用,介绍ZKY-CC各向异性磁阻传感器（AMR）与磁场测量仪,并结合实验进行研究，最后展望磁阻体的研究前景以及在其实用化进展中存在的一些问题。

　　本论文采用的研究方法主要有文献研究法、经验总结法。

　　1）文献研究法：研究者通过分析比较磁阻效应类的文献，学习实验成功案例。以此保证研究过程中不偏离研究核心，能够在充分理论知识的基础上进行实践。

　　2）经验总结法：总结课题研究的实践经验，将理论与实践相结合的学习方法，通过这一方法进行学习，可以加深对磁阻效应等基本知识的理解和认识，从而提高学习效果。通过对前人经验的总结，将磁阻效应等基本理论在实验中作进一步检验。

　　3）观察法：观察实验中磁阻发生的变化以及磁阻传感器特性、磁阻传感器的各向异性特性等。

　　实验采用ZKY-CC各向异性磁阻传感器（AMR）与磁场测量仪，核心部分是磁阻传感器，辅以磁阻传感器的角度、位置调节及读数机构，赫姆霍兹线圈等组成。本仪器所用磁阻传感器的工作范围为±6高斯，灵敏度为1mV/V/Guass。灵敏度表示，当磁阻电桥的工作电压为1V，被测磁场磁感应强度为1高斯时，输出信号为1mV。磁阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后，再接显示电路，故由显示电压计算磁场强度时还需考虑放大器的放大倍数。本实验仪电桥工作电压5V，放大器放大倍数50，磁感应强度为1高斯时，对应的输出电压为0.25伏。赫姆霍兹线圈是由一对彼此平行的共轴圆形线圈组成。两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离d正好等于圆形线圈的半径R。这种线圈的特点是能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场。

　　调节赫姆霍兹线圈电流为零，按复位键，调节补偿电流，使传感器输出为零。调节赫姆霍兹线圈电流至300mA，调节放大器校准旋钮，使输出电压为1.500伏。

　　a.测量磁阻传感器的磁电转换特性

　　磁电转换特性是磁阻传感器最基本的特性。磁电转换特性曲线的直线部分对应的磁感应强度，即磁阻传感器的工作范围，直线部分的斜率除以电桥电压与放大器放大倍数的乘积，即为磁阻传感器的灵敏度。切换电流换向开关（赫姆霍兹线圈电流反向，磁场及输出电压也将反向），逐步调大反向电流，记录反向输出电压值。注意：电流换向后，必须按复位键消磁。

　　作范围及灵敏度。

　　b.测量磁阻传感器的各向异性特性

　　AMR只对磁敏感方向上的磁场敏感，当所测磁场与磁敏感方向有一定夹角α时，AMR测量的是所测磁场在磁敏感方向的投影。由于补偿调节是在确定的磁敏感方向进行的，实验过程中应注意在改变所测磁场方向时，保持AMR方向不变。

　　将赫姆霍兹线圈电流调节至200mA，测量所测磁场方向与磁敏感方向一致时的输出电压。

　　松开线圈水平旋转锁紧螺钉，每次将赫姆霍兹线圈与传感器盒整体转动10度后锁紧，松开传感器水平旋转锁紧螺钉，将传感器盒向相反方向转动10度（保持AMR方向不变）后锁紧，记录输出电压数据于表2中。

　　赫姆霍兹线圈能在公共轴线中点附近产生较广泛的均匀磁场，在科研及生产中得到广泛的应用。

　　地球本身具有磁性，地表及近地空间存在的磁场叫地磁场。地磁的北极，南极分别在地理南极，北极附近，彼此并不重合，可用地磁场强度，磁倾角，磁偏角三个参量表示地磁场的大小和方向。磁倾角是地磁场强度矢量与水平面的夹角，磁偏角是地磁场强度矢量在水平面的投影与地球经线（地理南北方向）的夹角。在现代的数字导航仪等系统中，通常用互相垂直的三维磁阻传感器测量地磁场在各个方向的分量，根据矢量合成原理，计算出地磁场的大小和方位。实验用单个磁阻传感器测量地磁场的方法。将赫姆霍兹线圈电流调节至零，将补偿电流调节至零，传感器的磁敏感方向调节至与赫姆霍兹线圈轴线垂直（以便在垂直面内调节磁敏感方向）。调节传感器盒上平面与仪器底板平行，将水准气泡盒放置在传感器盒正中，调节仪器水平调节螺钉使水准气泡居中，使磁阻传感器水平。松开传感器水平旋转锁紧螺钉，在水平面内仔细调节传感器方位，使输出最大。此时，传感器磁敏感方向与地理南北方向的夹角就是磁偏角。松开传感器绕轴旋转锁紧螺钉，在垂直面内调节磁敏感方向，至输出最大时转过的角度就是磁倾角，记录此角度。

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　　2017-3-01至2017-3-19：确定论文方向，写出开题报告

　　2017-3-22至2017-3-26：实习准备工作，搜集相关资料

　　2017-3-29至2017-4-04：完成论文第一章。

　　2017-4-05至2017-4-18：完成论文第二章。通过浏览各网站和书籍了解磁阻效应的内容。

　　2017-4-19至2017-5-02：完成论文第三、四章。

　　2017-5-02至2017-5-09：完成论文五、六章。根据实际情况提出不足及改进建议；结合以上内容做出总结

　　2017-5-10至2017-5-16：检查修改完成一次论文初稿

　　2017-5-17至2017-5-29：根据指导老师的讲评及意见，修改并提交二次论文草稿

　　2017-5-30至2017-5-31：讲评第二次论文草稿、集中解决有关论文漏洞问题并及时修改

　　2017-6-01至2017-6-11：基本完成论文大纲要求，论文成型，指导老师讲评修改并定稿

　　2017-6-12至2017-6-18：整理打印论文、装订论文

　　2017-6-19至2017-6-30：准备参加答辩