Sensor loại này hoạt động dựa trên hiệu ứng từ-điện trở khác nhau như hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ-điện trở dị hướng, từ-điện trở xuyên ngầm... Tùy theo mỗi hiệu ứng từ-điện trở được sử dụng mà cấu tạo và thiết kế của mỗi loại sensor có đặc trưng riêng. Gần đây, sensor từ - điện trở được sản xuất hàng loạt dưới dạng mạch tích hợp với độ nhạy dưới 0.1 miliGass. Tuy nhiên, chúng làm việc trong vùng từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng 10-3 đến 100 mT) và để có độ nhạy cao, các sensor này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp.
Hiệu ứng từ-điện trở là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài và được xác định thông qua công thức:
( ) (0) ( ) (0) (%) (0) (0) H R H R MR R
Hiệu ứng từ-điện trở có hai loại chính là từ-điện trở dị hướng (Anisotropic Magnetoresistance – AMR) và từ-điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance – GMR), tương ứng ta có sensor dựa trên hiệu ứng AMR và sensor dựa trên hiệu ứng GMR.
Sensor dựa trên hiệu ứng AMR có nguyên tắc hoạt động dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng mômen từ của vật liệu làm sensor. Hiệu ứng này phụ thuộc vào góc định hướng giữa vector từ độ và dòng qua sensor. Nguyên lý hoạt động cơ bản của sensor từ điện trở dị hướng được minh họa trong hình 1.20.
Hình 1.20. Sơ đồ minh họa hiệu ứng AMR
Trong đó, màng mỏng sắt từ có dị hướng từ đơn trục (trục dễ) - Ox
được tạo ra nhờ dị hướng hình dạng hoặc nhờ quá trình phún xạ trong từ
trường HBias (Hx). Dưới tác dụng của từ trường ngoài giả sử hướng dọc theo
trục Oy (Hy), các mômen từ của vật liệu sẽ có xu hướng quay ra khỏi trục từ
hóa dễ của màng tạo một góc θ với trục dễ Ox. Góc này một cách gần đúng
xác định bởi: sin y x H H với Hy < Hx
Biểu thức này chỉ đúng khi màng mỏng lý tưởng mà sự từ hóa tự phát thay đổi bởi sự quay đồng bộ. Góc quay được tính theo nguyên lý cực tiểu
năng lượng. Sự phụ thuộc vào từ trường của điện trở có thể nhận được từ công thức: 2 0 ( y) cos R H R R
Sensor loại này có độ nhạy cao, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, độ trôi ổn định hơn sensor dựa trên hiệu ứng Hall, phạm vi hoạt động tần số rộng đạt được 10 MHz. Tuy nhiên nó có giá thành cao, kích thước lớn và công suất tiêu thụ cao. Các nhược điểm này là hạn chế rất lớn của sensor khi mà nhu cầu tiểu hình hóa các thiết bị đang ngày càng cấp thiết.
Hình 1.21. Hiệu ứng GMR: a) khi không có từ trường ngoài và b) khi có từ trường ngoài
Hiệu ứng AMR thu được thấp (< 6%) trong khi hiệu ứng GMR cỡ 101- 102 %. Do đó, sensor dựa trên hiệu ứng GMR cho tín hiệu lớn hơn, trong khi công suất tiêu thụ thấp, kích thước nhỏ và giá thành rẻ hơn. Sensor loại này có cấu tạo gồm nhiều lớp từ (màng mỏng từ NiFe), xen giữa là các lớp không từ (Cu) có điện trở thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài. Ở trạng thái ban đầu (khi chưa có từ trường ngoài) momen từ của 2 lớp sắt từ định hướng phản song song với nhau. Ở trạng thái này, các điện tử bị tán xạ nhiều khi đi qua các lớp vật liệu do đó điện trở lớn nên tín hiệu điện ở mạch ngoài là nhỏ (hình 1.21a). Dưới tác dụng của từ trường ngoài, từ độ của lớp sắt từ có xu hướng định hướng lại song song với nhau theo phương của từ trường (hình 1.21b). Đồng thời với quá trình quay đó của vector từ độ, điện trở của mẫu giảm mạnh (điện tử khi chạy qua các lớp vật liệu sẽ ít bị tán xạ) nên tạo ra được tín
Gần đây, sensor dựa trên hiệu ứng GMR được sản xuất hàng loạt dưới dạng mạch tích hợp với độ nhạy dưới 0.1 miliGass. Tuy nhiên, chúng làm việc trong vùng từ trường lớn (thường chỉ làm việc trong khoảng 10-3 đến 100 mT) và để có độ nhạy cao, các sensor này cần phải có từ trường nền (bias) và nhiệt độ làm việc thấp.