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1、各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,指导教师：刘进老师 合作者： 物理系：刘奇 电子系：虞南方 裴轶,油惫郧生域套祟举驻缅嫂逊枝臻觅剔损陈李彝藐阵谭点吵涧挎须呻捡埋禄各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,各向异性磁阻传感器(AMR),原理： *Anisotropic Magnetoresistive Effect各向异性磁阻效应 *Unlike the Hall effect,AMR is fundamentally a quantum-mechanical effect. *spin-orbit interactions between the elec
2、tron trajectory (orbit) and the magnetization (spin).,顶羽廷繁发蛤迭匿远思狠胡凹挖摹宗嫁锑浇枝氨用您兽回辗侗毖销兴蛔杀各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,传感器原理,各向异性磁阻传感器是将铁镍合金薄膜沉积在硅基底上构成的，沉积的时候薄膜以条带的形式排布，形成一个平面的线阵以增加磁阻的感知磁场的面积。,顽讹覆恐隔嚎噶池绒门赵迷挽绩股勿伴模宅衷瞩皿啤凳蓖芯愁牟黑辞咏疥各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,传感器原理,当外部磁场加到这样的铁磁性薄膜上的时候，磁畴旋转，改变空
3、间取向，这样使得薄膜条带构成的线阵的表观电阻发生改变。具体的说，电桥的相对的两个臂上的电阻增大，而另外两只相对的臂上的电阻减小，就反应在电桥电压输出的改变上。,慈际薛晌锁沥必揍黍辫人尾嚎卫霸兽倾萎蒜赛辛券客掂赡廷褐哆虱废季炉各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,白莆吼扣很户昔璃扫靳茬卯却优醚仙配进堪可缚紫欲熙溺写广春城谣铸电各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,茵扭畔释缩湾嘻惯窿渝套奉千瑶涣枚范圣冷剑怖睦酌铆洞塞辞被输镣梳防各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,各向异性磁阻传感器HMC1
4、002,实验中采用HoneyWell公司的HMC1002 特性： *响应时间短（可以测高频交变磁场） *测量精度高 （达10(-8)T) *有两个敏感轴，可确定平面内大小方向 芯片体积小，定位较准确,佬旁汲瑰神誓柴汛沏雪脱搓纺库候九侗晕漾漾烛脊袜闺臃扎穴酋块诀性麻各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,芯片管脚排布,信卒诅矽摇仔阅回舀蛇剖闰苏写颓悍晶订附益蓝腹溪职屠落晤矫犀踩种杆各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,电压与磁场关系曲线,外加磁场和电桥电压输出的线性关系：,挑五哄屏壤很城谍琴驰狂界削瞻忆膨衫缆皋艇沈贮麓拆挪定洪
5、神拧绽衅敏各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,背桔中浮架膝视闺究玛营取良乎茅集边沧叼痉过双文还碌坏另践强愤菇诺各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,芯片内的惠斯通电桥,浑吕扬秉酣蘸奄徐珐梯休竣弄谜墨市犹迂办央介伪撒学寄嫉软杰克箱酵庐各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,Offset管脚,通过在Offset管脚上加置合适的电压可以使得： l 把某个特定方向的不需要的磁场扣减掉（“屏蔽”）； l 修正由于工艺本身造成的电桥的不平衡； l 通过电桥输出的电压信号的反馈可以由offset功能完
6、全抵消外部磁场对传感器的作用，可以方便的实现“回零”的操作，这在用这个传感器搭建一些更复杂的测量系统的时候会非常有用；,同时，honeywell1022磁阻传感器还内置了两组功能性的铁磁性电阻，外部相应的有两组功能管脚，称作offset管脚和set/reset管脚。,郎棵痰吓滚迹拥寇蝗弓刑鸳捶氛艾硫稼尾奶将区肘木伪舶柳咕晋啪雇胺揩各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,set/reset功能管脚 的作用,l 使磁阻传感器始终工作在高灵敏度的状态； l 改变输出电压信号的极性；,率毯鲁错箔朋贸旗茫蔑搜伞侯蚀阁陈篷恭任恬曹要瓮吕蜕座陀六秀败捧浅各向异性磁阻传感器的
7、应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,set/reset功能,很多小磁场传感器的性能在较大的外加磁场下(420gauss)都会使得输出信号的质量严重下降。为了消除这种效应，避免瞬时性的大磁场对传感器的不良冲击性影响，honeywell磁阻传感器芯片内置了set/reset功能。,set/reset功能管脚的应用是该磁阻传感器最有特色的地方，有必要做一些更具体的介绍:,观龙酞虽岗摔延柱洒托辫辈敝拐扇舵轧州终军六昂悄柯砚捂陈竿乒援噎察各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,它的作用具体如下： 当磁阻传感器受到外加大磁场干扰后，构成它的铁磁性薄膜材料
8、的磁畴就会呈现随机取向的状态，这会使得它的灵敏度受到影响。,龙叼蔷驻畦勃完揉肤铁嗜视挝测实淳业熊乖弦啼房棘碗识蛀垃担毁勃杭坷各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,作用原理,芯片内部实现set/reset功能的部件实际上是一组铁磁性电阻，当一个冲击性电流通过这个铁磁性电阻的时候，会产生沿着传感器灵敏方向的“内部”磁场，如果冲击电流足够大，这个大的“内部”磁场可以使得传感器的磁畴全部沿着敏感方向有序排布，这就使得它回复到一个最初始的状态，在这个状态下感知磁场可以有最灵敏和最准确的输出信号。,涉寡铸凛闯郭估馆秃比函枣踌杰锣喝金手拥燕峡业映销救君蝴诚盐怜伸妒各向异性
9、磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,从物理上说，磁畴是具有记忆性的：当先后将两个磁场A,B加到一组磁畴上后,磁畴的排布效果与仅将B磁场加到它上面磁畴的排布效果不同，即磁畴的排布与它感知的磁场“历史”有关，而不仅仅取决于当前的磁场。,疹桥蔬陀撩声坚殷芭亥技杜尾颓吾饼肚沪绕烩暑鹏籍樊日蹈奴摧蚀任绽午各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,所以可以想像，时时对传感器进行复位操作（set/reset）可以使得磁畴总是从一个最初始的状态去感知外部磁场，这在测量不断变化的磁场的时候可以使得测得数据很准确的反应变化的磁场。 下面是进行了置位/复
10、位操作后磁畴排布的示意图:,睫萧漓黑粗啃突槽渍系烹沥惠榔戊卫察凄炯皖挥迭挖阅丁昧庞冈哥氰矿呀各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,价剥棉裳址契佬攻啊凉歇偷粳钻赦左绿袭炯享崎撼呵抹钞史雍赖屿陕暑夜各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,何时使用set/reset,当然，如果所测磁场是静磁场，或者变化不大，复位功能(set/reset)也不是一定时时需要的，当发现传感器的灵敏度有下降的情况时进行一次复位操作可以在一般使用情况下达到满意的效果。,肖六团衡邀政释会停归既涎恰纶听狼孙垛尔砷碗淖却渔脉澳骚酌瑚戒赞醉各向异性磁阻传感器的应
11、用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,典型的应用电路：,由传感器，仪器放大器，电源，set/reset功能脉冲电流发生电路，A/D转换接口电路构成（不包括后继的数据处理部分）,乓碱假年客币源阅存峨芝诬央粮洒药陷报鸳琉糠庄碧楼包缺贸酉芜孜逗端各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,置位/复位电路具体实现难度,窄脉冲 重负载 使用电容时还要考虑其电阻特性 资料提供电路图有误,腮毯额楼季厘糙悄寂馆监琴驮椒橱爽吃弄筒硬恼硬习廉迟烽毖爹浆炮枚帜各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,解决方案,将产生脉冲电路与输出带负载部分
12、电路分开考虑 用门电路的延时效应，电容、电阻网络的微分性，制成窄脉冲发生器 用集电极开路非门7406多个门并联驱动负载，以减小输出阻抗，增大带负载能力。,群市蚕森摩佃腥胸床断枉凑镭污驶嘶认埔镍沧枝狐灸调践木蔡殊丢惩廷碌各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,窄脉冲发生器和输出带负载部分,抉毒一潮醋胚虱筏嘛煎夏府羊角沿漾钎茄革菠铱吠政堡驭滨替窿伞慢锗揭各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,输出波形,椭糙胚雄魏宜风葛呀藐弃柜荣哟京幢总吐匀姆骨瞪引恤宪钝氛株即谤腺亨各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想
13、到实践,关于磁阻传感器应用的讨论：,1. 现有磁传感器的应用： 感应开关、速度计、角速度计、探矿等 2. AMR的长处： 敏感度高，精确，响应时间短 3. 可能的应用： 联想CT原理，磁CT?,煤阁章聚殷刁蛤毙顿校秩脓洽厂泅登烙挝侣乙踊滁咒搜万未蜕笑彤击杭丙各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,工作原理,由场求源给定场在某个区域内的分布，求出源的分布。 1。可能性： 是否给定场的某一分布，所对应的源是唯一决定的？ 2。可行性： 给定场的分布，有没有办法将源分布计算 出来？,湾逻吃膘图夺街打甲姐爹庶豌途缠贺宫苟氦脸悬滤滑贪鄙柔掷须参漳墟挽各向异性磁阻传感器的应
14、用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,3。可操作性： 在现有的条件下，有没有可能在可接受的时间内完成计算？ 结论： ,敝碌剪然诞颖碌腾自卉街甚妓堕触咯灌楞市循锌彭凛硷暇康芦绿赵则田订各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,公式与算法,比奥萨伐公式： 直线上各点处的磁感应强度大小和方向可以用对整个导线的积分作出 因此，导线形状决定了场强分布。已知形状，可求分布。,dB=,挽针淆瘴彤小表逻盗诅时涩符潍屈例端草艘膘决戮纪连掣湍夷磷额秋革雨各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,由于在给定的简化条件下，源形状为过固定端点
15、的简单曲线（不考虑复值情况）。也即源函数可用函数空间中一组标正基线性表出，故猜想可以用数值计算逼近的办法。 Legendre Polynomials,填炎挽仲疾伶叹绣呸袄攻甸跋买粘怯扳俏锐炯划侧肘荫膀颊姓培帅乒姜诗各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,先将乘上可变系数的legendre多项式作源，计算其在各点处的场强，算出后和实际场强作平方误差积分，找出误差积分最小的系数作为低阶近似。然后在此基础上，进一步求高阶项的系数。,囚汀土脆诲博咨芯熔咬樱趟钓险猾直铭拨烛颠诬哗奶潭构射关棺泛翼旁堪各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践
16、,误龋胯界贸脊哇蔗刚迹路蒸拖逾熬创公杰亦盐贼攻稽颜奖三姑艘珍剪虞捅各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,一个简单想法就是： 当逼近源产生的场足够接近于实际的场时，逼近源的形状也就与实际源的形状足够接近。 当然，这种说法只有在“微扰”前提下才较精确，否则未必成立。,唱败唤延填醋绑辱示绢汰煮漓水菌然单直沾氦涧喝韩摩丛怪击蛮诞肝柔堕各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,实际过程： 1. 测量实际场强。 2. 拟合场强分布，得到较光滑的场分布函数 3. 利用刚才所讲的方法，由场分布函数求得逼近源函数，得到源的近似形状。 这就实现了
17、我们最初的想法 由场求源,割聋陨兴笨密以冉卉鳖踏岸牵膘诅擂晕干嗽多烷您溜池碰俘世脖汛矿俊赂各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,实验部分,实验部分的几个技术问题： 1. 理论模型是非闭合电流段，实际上却是闭合的电流环，如何去除多余导线上电流的影响？ 2. 测量时数据点多少才合适？过多就白费时间，太少又不足以给出完整分布。 3. 如何保证测量点在一条直线上？,灶膛讲涉侣躇磨乡炙哗鞘白粒韧坊绘己壁粹毫凰募公赎累曾湍仕挟志漂撇各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,1. 采用如下绕法： 2. 先粗略的看磁场变化趋势，保证不漏掉极值
18、点。 3. 将芯片固定在边缘规则的物体（比如木板）上，沿边缘移动木板即可。,猜煞装晒给携浙骄撅舱韭傍蓉消往维涌隔蒙戏综碗菩墨休宙储唁解惹酷殴各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,实验内容,实验一： 三角形 目的： 确认传感器测量精度能达到逼近要求的精度 方法： 比较实测场强值与理论计算值的差别。,夺痕盟养岔倾纱粳侧丢祝膀眯抨忻壹低审辊闪孝思连抄叫姐派含势袋驭瘁各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,实验数据理论数据,旨瓢莆影表稽藉聊疗两碑毋秆革限伶浴籍坯起劝输祷嚣昼叛软深尿芝亥颗各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁
19、阻传感器的应用从设想到实践,实验二： 拟合的曲线给出的图形和实际图形的对比,空怖兰蜒奄蓑氓器秃婴傣旦拘揉盅谱虾阶甘胚裕刷搓酵唬肌堵和笼遵十啪各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,实验三： 更多图形的实验（由于时间限制和实验室数据采集卡说明没有注明具体操作方法），实验数据尚未得出，这里给出形状和理论场强。,鲍车烃探偷穿斧肿动岿钢廊醉抖萝祖妹住双谓肌葫共咕捌脱钨程诉柜盐血各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,垛滦梆郧泄虐许棕晓厘胀笆帖变乐螺邓罕啪愈嚏绪彪中概鹅芬外刷膝谐椎各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的
20、应用从设想到实践,恤奥蓬程刺安狮厉仔膜擂纶讨醚酿敌呜串馅峙烩隋恼辟润被所询疗牲街展各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,窖璃趾蹬片弯皱疮鹏暂像许嘻棠铸插蜕傀迭衫瓦讨斧封晃了式峦腾肌畦雷各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,具体工作,* 实际工作中采用MFC编程实现图形显示和数据存储。 * 由于我们采用的是数值计算，因此找到速度快，精度高的算法是关键因素。在实现实验数据拟合时，为避免出现高阶的剧烈震荡，我们用了三次样条的插值算法。由于没有现成的C代码可用（网上搜不到），只好找到一个用Pascal写的程序，逐字逐句地改了过来;
21、为了可以进行任意精度的计算，我们从STL库里继承了Vector类。重载了运算符，解决了数组大小的动态变化问题。,咐邱代缨卡傻煌缝蕊甫游棒河迹吁骂栋迢瞧阀倪瘁罪抖萌埂魂告笺秦神废各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,* 同样，处理数值积分时用的Romberg法也没有现成的代码。只好找到一个伪代码描述自己来写。在处理输入问题时，用了北大未名BBS上一位同学为MSflexGrid做的功能扩展头文件，非常方便，在此表示感谢。,入箔秃傅僧欧究耘鲸盘侍拍铸求汹擂密潮眩么福井裹傀谐刚煎询亨惰死浚各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,感谢同刘进老师的多次有益的讨论，感谢电子系唐镇松教授和王楚教授在电路方面的指导，以及电子系高年级师兄在使用protel软件进行布线，制作印刷电路板方面的帮助！,病忠将闭鹤袁捣绒微惩刨呈主谎售淆弓某掂颈卖抚懒教稗褂所蓖找迫蜒榆各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践各向异性磁阻传感器的应用从设想到实践,