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各向異性磁傳感器：各向異性磁阻傳感器與磁場測量

圖5-10-1磁阻電橋
實驗5-10 各向異性磁阻傳感器與磁場測量
物質(zhì)在磁場中電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。 磁場的測量可利用電磁感應(yīng)，霍耳效應(yīng)，磁阻效應(yīng)等各種效應(yīng)。其中磁阻效應(yīng)法發(fā)展最快，測量靈敏度最高。磁阻傳感器可用于直接測量磁場，如弱磁場測量，地磁場測量，各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機等等。磁阻傳感器也可通過磁場變化測量其它物理量，如利用磁阻效應(yīng)已制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，廣泛用于汽車，家電及各類需要自動檢測與控制的領(lǐng)域。
磁阻元件的發(fā)展經(jīng)歷了半導(dǎo)體磁阻（MR ），各向異性磁阻（AMR ），巨磁阻（GMR ），龐磁阻（CMR ）等階段。本實驗研究AMR 的特性并利用它對磁場進(jìn)行測量。 【實驗?zāi)康摹?br/>1． 了解AMR 的原理并對其特性進(jìn)行實驗研究。 2． 測量赫姆霍茲線圈的磁場分布。 3． 測量地磁場。 【實驗原理】
各向異性磁阻傳感器AMR （Anisotropic Magneto-Resistive sensors ）由沉積在硅片上的坡莫合金（Ni80 Fe20）薄膜形成電阻。沉積時外加磁場，形成易磁化軸方向。易磁化軸是指各向異性的磁體能獲得最佳磁性能的方向，也就是無外界磁干擾時磁疇整齊排列方向。
鐵磁材料的電阻與電流和磁化方向的夾角有關(guān)，電流與磁化方向平行時電阻R max 最大，電流與磁化方向垂直時電阻R min 最小，電流與磁化方向成θ角時，電阻可表示為：
R=R min ＋(R max －R min )cos2θ （5-10-1） 在磁阻傳感器中，為了消除溫度等外界因素對輸出的影響，由4個相同的磁阻元件構(gòu)成惠斯通電橋，結(jié)構(gòu)如圖5-10-1所示。圖5-10-1中，易磁化軸方向與
電
流方向的夾角為45度。理論分析與實踐表明，采用45度偏置磁場，當(dāng)沿與易磁化軸垂直的
方向施加外磁場，且外磁場強度不太大時，電橋輸出與外加磁場強度成線性關(guān)系。
無外加磁場或外加磁場方向與易磁化軸方向平行時，磁化方向即易磁化軸方向，電橋的4個橋臂電阻阻值相同，輸出為零。當(dāng)在磁敏感方向施加如圖29-1所示方向的磁場時，合成磁化方向?qū)⒃谝状呕较虻幕A(chǔ)上逆時針旋轉(zhuǎn)。結(jié)果使左上和右下橋臂電流與磁化方向的夾角增大，電阻減小ΔR ；右上與左下橋臂電流與磁化方向的夾角減小，電阻增大ΔR 。通過對電橋的分析可知，此時輸出電壓可表示為：
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各向異性磁傳感器：各向異性磁阻傳感器垂直結(jié)構(gòu)及其制造方法 AMR sensors vertical structure and manufacturing method

摘要：

本發(fā)明提供的一種各向異性磁阻傳感器垂直結(jié)構(gòu)及其制造方法,該結(jié)構(gòu)包括:半導(dǎo)體襯底;第一絕緣層,覆蓋該半導(dǎo)體襯底;磁性電阻金屬條,位于該第一絕緣層上;接觸金屬層,位于該磁性電阻金屬條上;磁阻金屬短路條,位于該接觸金屬層上;第二絕緣層,覆蓋該磁阻金屬短路條,磁性電阻金屬條以及第一絕緣層,并且該第二絕緣層在該磁阻金屬短路條的上方具有通孔;置位復(fù)位金屬布線層,位于第二絕緣層上并通過該通孔與該磁阻金屬短路條接觸;第三絕緣層,覆蓋該置位復(fù)位金屬布線層和第二絕緣層.  An anisotropic magnetoresistive sensor and a manufacturing method of the vertical structure of the present invention provides the structure comprising: a semiconductor substrate; a first insulating layer covering the semiconductor substrate; magnetic resistance of the metal strip, located on the first insulating layer ; contact metal layer disposed on the magnetic resistance of the metal strip; metal shorts magnetoresistive strip, located on the contact metal layer; a second insulating layer covering the magnetoresistive strip metal short circuit, the magnetic resistance of the metal strip and the first insulating layer, and the second insulating layer over the magnetoresistive strips of metal shorts having a through hole; Set_Reset metal wiring layer on the second insulating layer in contact with the magnetoresistive strips of metal shorts through the through hole; a third insulating layer, the set-reset covering metal wiring layer and a second insulating layer.  本發(fā)明的各向異性磁阻傳感器結(jié)構(gòu)簡單,并且其形成方法和微電子工藝的匹配性很好,適合大批量工業(yè)化生產(chǎn),有利于提高產(chǎn)品的可靠性,具有廣泛的應(yīng)用性.  Simple anisotropic magnetoresistive sensor structure of the present invention, and its method of forming a microelectronic technology and matching is very good for high-volume industrial production, it will help improve the reliability of the product, with a wide range of applicability.

展開

各向異性磁傳感器：各向異性磁阻傳感器的原理及其應(yīng)用.pdf

!""’ 年                              儀 表 技 術(shù) 與 傳 感 器                                           !""’
 第 期
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各向異性磁阻傳感器的原理及其應(yīng)用
裴 軼，虞南方，劉 奇，劉 進(jìn)
  （北京大學(xué)，北京 )""%()）
  摘要：詳細(xì)介紹了各向異性磁阻傳感器的物理機理，并以*+,)""! 為例說明其測量原理、芯片以及電路的主要特
點，給出了弱磁測量的結(jié)果與分析。將                     ，       與傾角傳感器相結(jié)合，可用于姿態(tài)的測量。并介紹了其在場
  *+,)"")  *+,)""!
源相關(guān)性識別中的作用和應(yīng)用電路。分析了各項異性磁阻傳感器的優(yōu)點及前景預(yù)測。
關(guān)鍵詞：磁阻傳感器；磁疇；弱磁測量；相關(guān)性檢測
中圖分類號：            文獻(xiàn)標(biāo)識碼：         文章編號：            （ ）
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各向異性磁傳感器：各向異性磁阻（AMR）傳感器的技術(shù)優(yōu)勢

賢集網(wǎng)電子測量技術(shù)頻道訊：某些金屬或半導(dǎo)體在遇到外加磁場時，其電阻值會隨著外加磁場的大小發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫做磁阻效應(yīng)，磁阻傳感器利用磁阻效應(yīng)制成。1857年，Thomson發(fā)現(xiàn)坡莫合金的的各向異性磁阻效應(yīng)。對于有各向異性特性的強磁性金屬, 磁阻的變化是與磁場和電流間夾角有關(guān)的。我們常見的這類金屬有鐵、鈷、鎳及其合金等。

當(dāng)外部磁場與磁體內(nèi)建磁場方向成零度角時, 電阻是不會隨著外加磁場變化而發(fā)生改變的；但當(dāng)外部磁場與磁體的內(nèi)建磁場有一定角度的時候, 磁體內(nèi)部磁化矢量會偏移，薄膜電阻降低, 我們對這種特性稱為各向異性磁電阻效應(yīng)（Anisotropic Magnetoresistive Sensor,簡稱AMR）。磁場作用效果下圖。

薄膜合金的電阻R就會因角度變化而變化，電阻與磁場特性是非線性的，且每一個電阻并不與唯一的外加磁場值成對應(yīng)關(guān)系。從上圖中，我們可以看到，當(dāng)電流方向與磁化方向平行時，傳感器最敏感，在電流方向和磁化方向成45度角度時，一般磁阻工作于圖中線性區(qū)附近，這樣可以實現(xiàn)輸出的線性特性。

AMR磁傳感器的基本結(jié)構(gòu)由四個磁阻組成了惠斯通電橋。其中供電電源為Vb，電流流經(jīng)電阻。當(dāng)施加一個偏置磁場H在電橋上時，兩個相對放置的電阻的磁化方向就會朝著電流方向轉(zhuǎn)動，這兩個電阻的阻值會增加；而另外兩個相對放置的電阻的磁化方向會朝與電流相反的方向轉(zhuǎn)動，該兩個電阻的阻值則減少。通過測試電橋的兩輸出端輸出差電壓信號，可以得到外界磁場值。

各向異性磁阻（AMR）技術(shù)的優(yōu)勢有以下幾點：

1、各向異性磁阻（AMR）技術(shù)最優(yōu)良性能的磁場范圍是以地球磁場為中心，對于以地球磁場作為基本操作空間的傳感器應(yīng)用來說，具有廣大的運作空間，無需像霍耳元件那樣增加聚磁等輔助手段。

2、各向異性磁阻（AMR）技術(shù)是唯一被驗證，可以達(dá)到在地球磁場中測量方向精確度為一度的半導(dǎo)體工藝技術(shù)。其他可達(dá)到同樣精度技術(shù)都是無法與半導(dǎo)體集成的工藝。因此，AMR可與CMOS或MEMS集成在同一硅片上并提供足夠的精確度。

3、AMR技術(shù)只需一層磁性薄膜，工藝簡單，成本低，不需要昂貴的制造設(shè)備，具有成本優(yōu)勢。

4、AMR技術(shù)具有高頻、低噪和高信噪比特性，在各種應(yīng)用中尚無局限性。

AMR磁阻傳感器可以很好地感測地磁場范圍內(nèi)的弱磁場測量，制成各種位移、角度、轉(zhuǎn)速傳感器，各種接近開關(guān)，隔離開關(guān)，用來檢測一些鐵磁性物體如飛機、火車、汽車。其它應(yīng)用包括各種導(dǎo)航系統(tǒng)中的羅盤，計算機中的磁盤驅(qū)動器，各種磁卡機、旋轉(zhuǎn)位置傳感、電流傳感、鉆井定向、線位置測量、偏航速率傳感器和虛擬實景中的頭部軌跡跟蹤。

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