《磁敏传感技术》PPT课件

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1、第六章磁敏传感器磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。6.1磁敏电阻器磁敏电阻器（MagneticResistance）是基于磁阻效应的磁敏元件,也称MR元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可

2、以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为式中ρB—磁感应强度为B时的电阻率；ρ0—零磁场下的电阻

3、率；μ—电子迁移率；B—磁感应强度。当电阻率变化为Δρ＝ρB－ρ0时，则电阻率的相对变化为：Δρ/ρ0=0.273μ2B2=Kμ2B2由此可知，磁场一定时电子迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为长方形磁阻器件只有在L(长度)<

4、b（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把L>l的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。LbBB几何磁阻效应II（a）（b）图(b)是在L>b长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁

5、阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图(a)所示的许多短路电极(光栅状)的元件；另一种是由InSb和NiSb构成的共晶式半导体(在拉制InSb单晶时，加入1％的Ni，可得InSb和NiSb的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1m左右，长约100m，许多这样的针横向排

6、列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于InSb的温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图(b)所示。除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。二、磁敏电阻的结构各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时．必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增

7、加而增加磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。磁敏电阻器的应用：1．作控制元件可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。2．作计量元件　可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。3．作开关电路　　在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。4．作运算器　　可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。5．作模拟元件　　可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三