传感器课件：磁电阻式传感器（MR传感器）

1、磁电阻式传感器（MR传感器） 铁磁物质中存在着两类电阻 “反常现象”，第一类“反常现象”中，电阻率随着磁化强度而变化，不依赖于磁场的方向，且对温度极为敏感，在居里点附近电阻率发生急剧变化。有人认为其电阻率的变化率正比于总磁化强度的平方I2和某一起始值之差，这个起始值与自发磁化强度的平方 成正比，所以一、铁磁体中的磁电阻效应 第二类“反常现象”叫做磁电阻各向异性效应，是thomson在1857年发现的。这个效应依赖于铁磁体中电流密度J与磁化强度I的相对取向。这两种现象的本质差别在于，前者基本上只取决于原子中不成对3d电子之间的交换作用力。 而后者是铁磁体技术磁化的结果，它与自发磁化强度在晶体内的

2、取向和铁磁体内不同磁相的体积浓度分配有关，也就是依赖于总的技术磁化强度，在理论上可用电子的自旋磁矩与轨道磁矩相互耦合和电子d能带的分裂来解释。本节讨论的就是这种效应。磁性物理学内容自发磁化、技术磁化、应用磁学自发磁化 是在朗之万顺磁性理论基础上，先引入“分子场”的概念来唯象地解释自发磁化。出分子场的来源（即自发磁化的本质）就是磁性原子（离子）电子与电子间的静电交换相互作用。但是这种直接交换作用模型不能用于解释铁氧体、 3d 过渡金属合金以及稀土的磁性，这三种物质的磁性和自发磁化应分别用超交换作用、能带理论以及 RKKY 交换作用加以解释。 掌握各理论的基本思想、重要结论；掌握亚铁磁性代表物铁氧

3、体的种类、各自的晶体结构、分子式及离子分布式的书写、分子磁矩的计算、饱和磁化强度的计算；掌握交换能 F ex 的概念、表达式及物理意义；理解自发磁化和居里温度的本质；理解超交换作用的原理；能够用能带理论计算 3d 过渡金属原子磁矩；理解 RKKY 交换作用及 RKKY 理论的基本思想 。技术磁化实际中使用的磁性材料，其共同点是材料内部存在磁畴，不同处是磁畴结构及其运动的变化方式不同，相应地其磁化曲线与磁滞回线的形状也就不同。技术磁化是在缓慢变化或低频交变磁场中进行磁化，所考虑的是磁化已经达到稳定状态的问题。了解磁化过程及磁化机制；掌握畴壁位移磁化和畴转磁化的机制；掌握推导可逆磁化时的起始磁导率

4、的解题方法；理解不可逆磁化过程，掌握巴克豪森跳跃的概念及过程；对于反磁化过程，理解三种产生磁滞的机制，掌握推导不可逆畴转过程中的矫顽力 Hc 的解题方法；理解剩磁 Br 的物理概念，并掌握易磁化轴数目与剩磁比之间的关系；掌握在不同磁化状态下自发磁化强度矢量在空间的分布。应用磁学 研究与应用有关的磁学问题。如微波磁学、磁光、磁热、磁电、磁力相互作用的交叉现象。 我们首先考查Ni0.9942C0.0058合金。下图表明了磁化强度M平行或垂直于电流I的纵向磁电阻率11和横向磁电阻率。样品磁化饱和以后，如果磁场增加至数千Oe，/和等量地均匀减小，/（H）和（H）所呈现的变化规律几乎完全一样。HSR0N

5、iFe合金和NiCo合金的各向异性磁电阻效应直接与技术磁化有关，从磁化机制而言，属于磁畴磁化矢量的转动过程。 为了研究/0与其它技术磁参数的相关性，我们继续考查 NiFe和NiCo合金的/0随合金成份的变化规律。下图表示了获得最大/0的合金成份。对于NiFe合金，当x=0.9时，所得到的/0为5% ，而NixCo(1-x)合金。当x=0.8时，/0的最大值为6%。 关于磁电阻效应的机理，至今尚有许多不清楚的地方。磁阻传感器的原理仍是根据实验中所发现的一些规律来设计的。理论上的缺陷没有阻止MR元件的研究和应用块状与薄膜34%二、磁性薄膜MR元件的特性IH 有两种表示磁电阻效应的公式，两式具有相同

6、的形式，只是一个用电阻值表示，而另一个则用电阻率表示。我们知道电阻率是材料的固有参数，而电阻值则是考虑了材料的几何形状的结果。在下面的分析中，我们均采用电阻值表示式来描述铁磁薄膜的磁电阻特性。 把两个磁电阻效应完全相同的电阻体（铁磁金属薄膜A、B）象图那样垂直放置，以b点为中心将RA、RB串联起来，让电流流过ac端，这样就构成了三端型MR元件，在这种元件中以足够强度的磁场作用于薄膜电阻平面，使元件磁化饱和。将磁场的角度的原点取在RA的电流方向上，那么这样三端型MR元件的结构原理图如图所示。RA（ ）、RB（ ）的关系为 迂回栅状 为退磁状态下（ 或 =450）的单个电阻值，也就是R（ ）在一周

7、内的平均值。即 直流与交流 给定激励电压V的情况下输出电压 V正比于 值。我们称该值为各向异性磁电阻系数。金属 0(%)金属 0(%)80Ni-20Co2.6630Ni-70 Co3.4090Ni-10Co6.4890Ni- 10Fe4.6070Ni-30Co5.0280Ni-20Fe3.5560Ni-40Co2.5360Ni-40Fe3.7950Ni-50Co5.8370Ni-30Fe2.5040Ni-60Co5.0590Ni-10Cu2.6069Ni-31Pd4.3083Ni-17Pd2.3297Ni-3Sn2.0398Ni-2Mn2.9399Ni-1Al2.2894Ni-6Mn2.489

8、8Ni-2Al2.4095Ni-5Zn2.60半导体霍尔效应B+-FEvxEyFL-e电场强度E磁感应强度Bz静电力罗伦兹力半导体显著 这种MR元件和霍尔效应元件相比具有如下独特优点: 1、可靠性高，使用合金材料，物理、化学性能稳定。2、温度特性好，当器件温度从-20+150变化时，其电阻值呈线性变化，总电阻的温度系数为+3.010-3/细 分3、倍频特性。信号磁场旋转一周，能够得到两个周期变化的正弦波输出电压。如图所示，这一倍频特性对于提高灵敏度是有利的。4、灵敏的方向性。下图所示是外场方向与MR元件平面所呈不同夹角时的输出特性。当外场垂直于薄膜平面时，其输出为零。因此，在使用这种传感器时，

9、可以利用这一特性将磁敏电阻传感器的平面与外界干扰磁场相垂直，就能避免外界磁场的干扰。 平行于MR元件面内的磁场5、宽的频带响应。MR元件的频响特性如图所示。输出信号的大小在极宽的频带范围内与频率无关，理论上极限频率为发生铁磁共振的频率。就输出在10MHz以内保持不变的频率特性来说，几乎所有位置，转速检测都能使用这类传感器。输出频率10MHZ06、小的饱和磁场。 差动电桥直流分量 两种输出形式如图所示，四个电阻单元RA、RB、RC、RD互相垂直，组成一个电桥。若在A、B而端加一直流电压V，磁场方向和基准方向成 角时，C、D间的输出电压V0为 在三端型MR元件的基础上又发展了四端MR元件。参数符号

10、数值单位全阻值1.4K电源电压DC12V输出电压270mV饱和磁场强度HS50Oc消耗功率103mV温度系数（恒流源）-0。05%/频率响应010MHz平直日本Sony公司的SDE-DM型三端元件 三、传感器的设计 MR元件的设计主要包括薄膜材料选择，元件几何尺寸，几何图形的计算，基片材料的选择以及有关保护膜材料的选择等。 MR元件设计的原则一是要根据使用的要求，使设计出的元件能满足使用提出的各项指标。二是要根据实际的加工能力,加工成本，在满足使用要求的情况下，尽可能地减轻工艺压力，降低加工成本。现以三端MR元件为例，说明设计程序和在设计过程中应注意的有关问题。线条宽度薄膜厚度 全电阻2R0=

11、1.40.1K 输出信号Vpp=140mV 电源电压V=12V（一）薄膜材料的选择 NiCo技术指标薄膜与块状(二)、基片材料的选择(三)、薄膜厚度的确定厚度与腐蚀（四）、电阻条宽的确定通常25 m（五）、电阻条总长及图形的设计=1.510-6cm 2R0=1.4K R0=0.7K NiCo合金的电阻率 由于可算得n及每条长度 条数为n，每条长为 ,长和宽相等，并令条宽w与间隔相等，则有www四、MR元件的制备基片金属化 有选择性的腐蚀 真空蒸发光刻板光刻胶的保护 基片清洗 真空蒸发光刻 光刻板划片超声焊封 装基片金属化有选择性腐蚀有选择性保护光刻胶 负型光刻胶光照射 聚合反应分解反应可 溶

12、不可溶可 溶 不可溶 正型光刻胶基 片金 属 膜 光 刻 胶是什么金属？基 片金 属 光 刻 胶显影液基 片金 属 光刻 胶受到光照的地方胶被溶化显影液腐蚀、去胶已知金属图形和光刻板，求光刻胶的类型金属图形玻璃基片遮光部分透光部分玻璃基片金属膜五、MR传感器的输出电路VV0VV0VV0RR（一）. 恒压源供电时电桥的输出US（二）. 恒流源供时电桥的输出I0I0I03、电桥输出电路恒压源供电电路如图所示据以前的分析有当没有温度影响或不考虑温度影响时，固态压阻式传感器US电桥的两个支路的电阻相等即有由此可得输出电压为固态压阻式传感器I0I0I0（三）外加偏置磁场 由于MR元件的倍频特性，外场方向

13、的变化和输出之间不存在一一对应的关系，若磁场方向变化180，而MR元件的输出电压却变化了360。MR元件的倍频特性对于作转速传感器应用时，可以提高测量灵敏度，但在检测信号的反转时，MR元件不能单独使用。采用偏磁场的方法可以解决这个问题，下面简单介绍一下外加偏磁场的方法。如何获得开关特性NSNSHX-HXHBHXHBHtNS-HXHBHt（四）能辨判旋转方向的MR元件ABCDABCDE被测量基本属性：大小、方向大小：输出电量的幅值方向：辨向电路辨向电路：要求输入两路相位相差90的信号122003级马韬同学友情提供RDRBRARC21341RARBRCRD324对这种具有辨向功能的四端MR元件的使

14、用需要注意的是，电源电压必须正确的施加。上式的导出是在电源电压如图所示的方法施加情况下的结果。如果电源电压接在RB、RC和RA、RD的交点处，该电路就不具有辨向功能了，这一点必须充分注意。和普通四端MR元件不同，普通四通MR元件不管电源电压加在哪二点，输出电压始终为一无直流分量的倍频信号电压。RDRBRARC2134U2U4USRARDRBRC六、传感器的应用 MR元件主要是依据对磁场的方向敏感即信号磁场方向的改变，MR元件的阻值亦相应地改变而适用于各种应用。 非电量作用 MR元件面内磁场方向变化 MR效应 电量输出1. 测转速 MR元件测量旋转转速的装置如所示。将磁体固定在旋转体上，并使MR

15、元件的平面平行于磁场方向。当旋转体时，磁体随着转动。即磁场方向随着旋转体不断的发生改变。当旋转体一周，由于MR元件的倍频特性，输出信号变化二周，经放大，整形产生两个电压脉冲。此脉冲正比于旋转体转数、转速。如前所述，MR元件具有很宽的频带范围，因此和其它转速传感器相比，它可适用于极高的转速测量系统。根据上述原理可以把机械式水表齿轮和指针去掉，做成电子式水表，即用磁铁安装在叶轮轴上，由MR元件直接测量与水量成正比的叶轮轴转速，计算流量。 磁旋转编码器2. 测量角位移3. 测量线位移450工作场偏置场合成场合成场4. 测量液位高度 利用MR元件测量液位高度的原理如图所示。滑块的位置对应着液位的高度，

16、随着液位高度的变化，滑块沿着导杆自由上升和下降。在转动轴上固定有一磁体，滑块的上下运动带动磁体旋转，即磁场方向不断变化。设液面在A位置时磁场的方向和MR元件夹角为 ，当液面升至B点时滑块和连接杆由图中的实线状态变到虚线所示的情况，结果导致旋转轴旋转了角 。滑块的位置和旋转角的关系满足下述关系MR元件5、测压力 测量压力过程？6. 精密位移、角度传感器 我们知道，利用MR元件测量旋转转动情况时，由于MR元件的倍频特性，当旋转体旋转半周，通过放大，整形后便有一个脉冲输出。利用这种方法测量旋转体的旋转情况，测量分辨率为半周。若将旋转磁体改用多极磁体，设旋转磁体的磁极对数为n,那么,旋转体旋转一周,将

17、有2n个脉冲输出,这时测量的分辨率为1/2n周.下图示出了一个旋转磁极对数为4的旋转体测试示意图，当旋转1/8周时，输出端便有一个脉冲信号。由此我们可以看出，单位长度内磁极对数越多，则测量精度越高。 一种具有辨向功能的精密角位移MR传感器如图所示。8个MR元件相互间隔等距离排列，R8连接成如图所示的两组电桥结构。很容易可以看出，这种结构的输出既不存在直流分量,同时输出幅值为四元件的二倍。NSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4A1A3A4A2B1B3B3B2ViV01V02NSSNSNSSSNNN线条宽度薄膜厚度A1A3A4A2B1B3B4B2ViV01V02NSSNNNA1B2B4B3B

18、1A3A2A4NSSNSNSSSNNNNSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4W很小A1A4A3A2B1B4B3B2ViV01V02NSSNSNSSSNNNRDRBRARC2134由磁栅传感器一章可知，利用录磁技术可以在旋转体上刻制出高精度的磁信号，磁栅距可以通过调整性园盘的转速来改变。所以说密集磁信号的录制是不成问题的。下面分析一种具有辨向功能并能精度测量角度位移的MR角度传感器。将园磁栅展开成如图所示的磁极分布，四个MR元件两两相隔 排列，R1、R2、R3、R4接成如图所示的电桥形式。V1、V2输出表示式为NSSNSNSSSNNNVSR1R4R3R2V1V2?VSR1R4R3R2V1V2线条宽度薄膜厚度NSNS14231.三端MR元件的电源电压为12伏，若需要输出振幅大于70mv的正弦信号，此时构成MR元件的材料的 至少应为多