磁阻效应是指某些金属或半导体材料在磁场中电阻随磁场的增加而升高的现象。利用这一效应可以很方便地通过测量电阻的变化来间接测量磁场。

一、半导体磁阻元件

在讨论半导体的霍尔效应时，认为载流子都按统一的平均速度运动，形成与外电场方向一致的电流，忽略了磁阻效应。实际上，半导体中还存在着运动速度比平均速度快及慢的载流子。比平均速度快的载流子受到的洛仑兹力大于霍尔电场力，载流子向洛仑兹力作用的方向偏转。比平均速度慢的载流子受到的霍尔电场力大于洛仑兹力，载流子向霍尔电场力作用的方向偏转，如图10-10所示，向两侧偏转的载流子的漂移路程增加，引起电阻率增加，显示出磁阻效应。

图10-10　载流子偏转示意图

利用磁阻效应测量磁场的优点是测量方便，有较好的重复性。但因受温度的影响和非线性的限制，需要采取恒温和逐点校准措施，所以磁阻效应最适合在低温和强磁场中使用。

因电流控制极的短路作用，磁阻效应还与元件的尺寸和形状有关，这种效应称为几何磁阻效应。

二、强磁性金属薄膜磁阻元件

在磁场中强磁性金属电阻率发生变化的现象称为强磁性金属磁阻效应。强磁性金属薄膜磁阻元件是用坡莫合金制成的，这种元件完全不同于半导体磁阻元件，它的温度系数小，使用温度高，频率特性好，而且材料的物理、化学特性都非常稳定。

在强磁场中，强磁性金属的电阻率随磁场增强而减小，具有负的磁阻效应。在弱磁场中，当磁场大于某一值时，强磁性金属的电阻率只与磁场方向和电流方向的夹角有关，而与磁场强度无关。当磁场方向与电流方向垂直时，其电阻率最小，用ρ⊥表示垂直电阻率；当磁场方向与电流方向平行时，其电阻率最大，用ρ//表示平行电阻率。因此，当磁场方向和电流方向的夹角为θ时，其电阻率为

图10-11所示为桥式四端磁阻元件，其中图10-11（a）所示为一种适用的桥式四端磁阻元件结构图，它是由两个三端磁阻元件k、l和k′、l′组成，其电路原理图如图10-11（b）所示。在ac端加偏置电压U0，输出由bb′引出。当磁场方向与k折线的电流I的夹角为θ时，输出电压为

式中，Δρ=ρ//-ρ⊥，ρ0=（ρ//＋ρ⊥）/2。

若在与I成45°方向上加一偏置磁场Hs，使元件磁化到饱和，此时Ubb′=0。当与I垂直的方向上加一被测磁场Hx时，则Hs和Hx的合成磁场为Hθ，如图10-12所示。当被测磁场Hx的大小变化时，合成磁场Hθ与电流I的夹角就发生变化，因而元件的输出电压也变化，测得元件的输出电压即可求得被测磁场值。

图10-11　桥式四端磁阻元件

（a）结构图；（b）电路原理图

图10-12　Hx对Hθ的影响(www.daowen.com)

利用强磁性金属磁阻效应制作的磁阻（Magneto-Resistive，MR）传感器有以下优点：

（1）单位面积的灵敏度高。

（2）体积小。

（3）可靠性高，制作简单，成本低。

（4）工作频带宽，包括可测直流磁场。

（5）输出信号与H值成正比。

（6）灵敏度高，可测磁场范围为1～1 000 μT。

单位面积的灵敏度很高意味着设计出的传感器可以极小，且其灵敏度仍能够很高。该优点非常适合应用于数据的存取，如读取头、存储器等。由于这种传感器尺寸小，还可以用来绘制磁场图，且分辨率很高。绘制研究表面的磁场分布也比较方便，因为薄膜磁电阻传感器能够探测膜面内的磁场分量，可以把传感器安放在距被测区域很近的地方。

MR传感器的测量范围与地磁场范围相当。虽然常常用进动质子磁强计测地磁场，但由于MR传感器简单，且能够进行向量探测，把它和GPS系统集成在一起，非常适合用于汽车、飞机和潜艇导航、指示方位的电子罗盘上。

当探测不均匀的磁场时，如铁磁性物体引起的磁场扰动，梯度传感器比磁场传感器更有用。由于MR器件尺寸很小，用它来设计梯度传感器非常容易。

磁异常可以是静态物体引起的（如矿藏、桥梁），也可以是运动物体引起的（如车辆、轮船），其中之一是物体的钢材料被磁化，使整个物体像一个磁棒。该效应可以通过消磁过程减小。还有一种效应就是磁体对地球周围磁场的扰动。整个磁场是均匀的地磁场和感应偶极子扰动的向量和。为了尽量不产生磁异常而被探测到，舰船用非磁性材料建造，并且在甲板上装备消磁线圈。尽管如此，发动机交流磁场还是会产生可探测到的磁信号。

被探测铁磁物体引起的磁异常随着与物体的距离增加衰减很快。图10-13所示为铁磁性物体磁异常与距离关系。各种磁异常信号，当距离较远时，这些信号非常微弱，低于1nT，只能用极为灵敏的测量仪器，如SQUID、光泵磁强计或光纤磁强计来探测。但是距离较近时，如几十米，可以采用MR传感器来探测，MR传感器的优点是价格低、操作简单。

图10-13　铁磁物体磁异常与距离关系

1—铁块（1 kg）；2—吉普车；3—坦克；4—潜艇