磁敏电阻传感器的应用与研究1.doc

磁敏电阻传感器的应用与研究摘要：磁敏电阻传感器是由磁敏电阻组成的的一种新型传感器，而磁敏电阻是一种基于磁阻效应的电阻体，它是在外磁场各个方面的作用下改变自身的阻值大小的。它具有体积小、灵敏度高、反应迅速、测量非接触，对环境要求使用低等优点，因此可以用来解决自动化和测量中的许多难题。关键词：磁敏；传感器；锑化铟；半导体；强磁性；一、传感器的分类磁敏电阻传感器是以磁敏电阻作为敏感元件构成的，其核心主要是磁敏电阻。磁敏电阻是一种高性能的磁敏感元件。其主要性能表现在磁敏电阻施加电场时，其电阻值比未施加电场时发生了明显的变化。对于磁敏电阻，到目前为止，一些国家所研发的磁敏电阻种类颇多，其名称也极不统一。例如，日本的“索尼”公司就有“磁敏二极管”和“磁敏电阻”之分；西德的“西门子”公司称为“磁敏半导体”；还有的公司把它叫做“场片”和“磁可控固体电阻”，还有其它的叫法等等。但是随着其使用的领域和范围扩大，名称慢慢统一起来，趋于统一的叫法就是现在的“磁敏电阻”。1而用磁敏电阻构成的传感器种类也不少。目前按使用材料可将其分为两类：一类是用半导体材料构成的磁敏电阻传感器；另一类是用强磁性薄膜材料构成的磁敏电阻传感器。下面就简单介绍这两种磁敏电阻。1、半导体型磁敏电阻半导体磁敏电阻有是三个组成部分，分别是基片、半导体电阻条(内含短路条)和引线。首先是基片，别称衬底，一般是用0.10.5mm厚的云母、玻璃作成的薄片，也有使用陶瓷或经氧化处理过的硅片作基片的；其次是电阻条，它一般是用锑化锢(InSb）半导体材料制成的半导体磁敏电阻条，通常工厂在制造过程中，为了提高磁敏电阻的阻值，缩小其体积、提高灵敏度，常把它作成如图l所示的结构。最后是引线，它是用外铁磁物质的功50100um的硅铝丝或们020um的金丝体内引线，而用薄紫铜片等作为外引线，经超声压焊或金丝球焊与芯片连接起来。2由锑化铟磁敏电阻构成的传感器的外形呈扁平状，非常薄，这类磁敏电阻主要是利用“霍尔效应”为其作用原理的，而现在外国的一些科学家已经提出了自旋霍尔效应理论，在由绝缘铁磁体的F多层膜，如钇铁石榴石（YIG），和一个正常的金属与自旋轨道相互作用，如铂（Pt）。SMR是由自旋霍尔和逆自旋霍尔效应同时作用引起的，因此一个非平衡距离现象。【8】其半导体磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应。图12给出半导体型磁敏电阻传感器的结构和特性。1.1. 物理磁阻效应物理磁阻效应又称为磁电阻率效应，表现为半导体片的电阻率随外磁场的变化而变化，其关系式为：其中p0，pb分别是无磁场和有磁场时的半导体片的电阻率，H是磁场的强度，u是半导体片的电子迁移率。3 1.2 几何磁阻效应对于几何磁阻效应，与磁敏电阻几何形状有关的阻值变化为：式中RB和R0分别代表有和无磁场时磁敏电阻的阻值；L和W分别代表磁敏电阻的长度和宽度；是霍尔角，表示由于洛仑兹力作用使载流子运动偏离远来方向的角度大小；Gr为与LW，有关的几何因子。 1.3 磁敏电阻性能Insb磁敏电阻的性能主要有电阻值R、工作电流I、灵敏度磁阻比RB/RO(它们分别代表磁感应强度B为0.3T和无磁场时电阻值)及电阻温度系数。我国研制生产的Insb磁敏电阻其电阻值为几十几百欧姆，灵敏度磁阻比RB/R0在1.53之间，工作电流为直流1一5mA，电阻温度系数在一0.8%左右。4在应用时一般都采用图3所示的电路。1.4 微小位移检测的传感器微小位移检测传感器其结构见图2，将磁敏电阻用胶水或者粘合剂固定于磁化棒的一端；磁化棒是用软磁性材料制成尺寸为4x4X15毫米的方型磁化棒。磁敏电阻的两端用导线引出并焊在端子4上。采取将磁敏电阻直接固定在磁化棒上的方法能够改善其传热性能，使用胶水、粘合剂等密封是为了防止传感器在工作时有机械损伤，并能与外界隔离而减少甚至是避免了外界温、湿度、光照等变化的影响。这种传感器的测量原理线路如图3所示。电阻Rg的作用是限制流过磁敏电阻Rm的电流，并使其保持5mA的电流。如果把磁性装置或磁性触点固定在运动的对象上，当其与传感器产生相对位移时，穿过传感器中磁敏电阻的磁场强度将发生变化，传感器就输出与位移量相对应的电压信号。当采用积分线路时，所得的电信号必须加以整形和放大，其测量电路如图4所示2强磁性金属薄膜型磁敏电阻强磁性金属薄膜磁敏电阻是不同于半导体型磁敏电阻，它是1980年才见报导的新研制出的一种传感器。其结构如图5（a）。它是用镍-钴合金薄膜制成的。当磁场方向发生变化时，通过它的载流子由于洛伦兹力的作用也使其流通的途径发生变化，进而改变了磁敏电阻的阻值。5对于强磁性薄膜磁敏电阻传感器，当载流子所受的洛伦兹力越大，电流的流通途径就越长，其阻值就越大。则当磁场的方向平行于这种磁敏电阻的平面时，其阻值p1最大，而当磁场的方向垂直于磁敏电阻的平面时，其阻值P2最小，这一关系可用表达式和图5表示 若将电压Vcc加在磁敏电阻传感器1、3两个端子上，在端子1.、2之间的电压输出为： 式中p0是磁敏电阻与磁场方向成45度角时的电阻率。 这类磁敏电阻传感器除了和外电场的方向有关之外，还和它的强度有关。其特性如图6 同时给出温度特性曲线和频率特性曲线，如图7、8 6 3二者的区别上述两类传感器尽管在结构上、特性上、测量电路上、及应用上有很多相似的地方，但是它们各自在所选用的材料，原理，以及输入输出特性上仍然有很多差别。其中最主要的差别就是强磁性金属薄膜磁敏电阻传感器即使在温度很高的条件下，其性能还是很稳定的，但是对于半导体型磁敏传感器而言，不具备这样的优势。1二 传感器的特点和应用随着磁敏电阻的优点越来越多，磁敏电阻已被人们广泛使用，由于其可靠性高和非接触性，常被用于条件比较恶劣的环境。并且在生产和生活中也用的较多。1传感器的特点a 非接触性；b测量方法简单实用；c测量精度高；d信号触发为铁磁材料；e抗震性、抗冲击性强；f敏感元件相应频率为10MHz易实现远距离传输；h可用于水、气、粉尘、带压操作和特定腐蚀性环境。2磁敏电阻传感器的应用 磁敏电阻传感器虽然出现的时间较晚，但其应用较为广泛。除了将要取代四端的“霍尔器件”之外，也同时向各个领域渗透进去，引起了工业自动化仪表，测量仪器等发生巨大的变化。2.1作测量磁场的传感器可以利用磁敏电阻对磁场强度、方向的敏感特性，可构成新型的磁通表（高斯计）。可以用这类的传感器测量恒定的磁场、交变磁场还活着漏磁等并可构成探测磁场方向的磁罗盘，将其用于导航、定向上。图11是高灵敏度磁强计的原理图2.2、作转速传感器利用磁敏电阻的倍频特性或旋转轴铁磁物质的不均匀性可构成数字式转速表、频率计等以代替涡流转速表、交、直流测速发电机、频闪测速计等来检测转速。2.3、作位移和角位移的传感器利用磁性装置或磁性触点相对传感器位置的变化，可在百分之一微米内精确地检测位移，同样也可以构成角位移传感器精确地检测角度。如果适当地选用机械机构和微分环节等还可以检测压力、力、速度、加速度等。图10是由磁钢和半导体磁敏电阻构成的一种结构简单的位移传感器结构和特性。2.4、作调制器使用在许多自动化仪表中，例如电子电位差计、平衡电桥等仪表式隧洞系统中，为了消除直流放大器的“零度漂移”而采用调制器。它是将直流信号调制为交流信号后用交流放大器放大而避免“零度漂移”所产生的误差。一般使用的调制器有机械振子调制器、磁调制器、光调制器、二极管调制等。它们或有噪音、或易受外界条件的影响、或寿命不长、而用磁敏电阻构成的调制器具有长期稳定工作、无噪音、线性好、时间常数小、体积小、重量轻、功耗低等优点。这种调制器的原理见图93、 磁敏电阻传感器的研究与开发 磁敏电阻传感器技术是一门跨学科、涉及多种领域的综合性高新技术的系统工程，其中包括磁敏电阻的材料、永磁体材料的研究和制备