磁电阻传感器的磁阻效应

磁电阻传感器的磁阻效应

1半导体磁阻值的研究进展磁阻是指在磁作用下，由引导体或半夏主导的mr值改变电阻值的现象。最近20年来,在新现象(如巨磁电阻)、新材料和器件、新技术应用等方面都出现了若干突破性的进展;并形成新的学科:磁电子学。引起科技界特别是电气行业的密切关注。2磁流密度下降如图1所示,长l,宽b和厚度d的长方形半导体晶片受到与电流方向1c垂直的磁感应强度B作用时,不但产生众所周知的霍尔效应,还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象。其工作机理是下列两个原因:2.1磁阻效应与约束在霍尔电场EH作用下,运动速度为V=Eμ(E为电场强度,μ为载流子迁移率)的电子不发生偏转;而速度大于或小于V的电子运动方向受EH的作用都发生偏转。电子运动方向发生变化的直接结果是沿电流方向(半导体器件长边)电流密度减小,电阻率增加,这种现象称为物理磁阻效应。用电阻率相对变化率Δρ/ρ表示磁阻效应。在磁场强度B不太大时,△ρ/ρ与μ2、B2成正比;在强磁场情况下,Δρ/ρ与μ、B成正比;当B趋向无限大时,电阻率ρ趋向饱和。2.2磁敏电阻的几何尺寸在相同磁场作用下,由于半导体晶片几何形状不同导致电阻值不同变化的现象称做几何磁阻效应,其原因是半导体内部电流分布受外磁场作用发生变化,如图2所示。由于霍尔电场EH(y方向)受到电流的电极短路作用而减弱,结果使电子运动方向受磁场力(洛仑兹力)影响发生偏斜。偏斜的电流方向与外加电场方向夹角θ为霍尔角。而在半导体晶片中间部分,霍尔电场不受电流电极的短路作用,电子运动方向因电场力与磁场力平衡不发生变化。而外加电场受霍尔电场EH的作用也发生偏斜,偏斜方向与电流方向夹角也称霍尔角θ。霍尔角θ的大小由tanθ=决定。近似计算时,磁敏电阻率的相对变化量为:式中C为与磁敏电阻元件的几何尺寸有关的常数:于是,磁敏电阻r可写为:式中半导体晶片的几何常数,见图1。由式(3)可以看出,电流Ic与B的关系,式(3)中R1为外加电阻,借以取样时,便有电阻R1上压降UR为:从式(4)中可以看出,在d一定时,愈大,灵敏度愈高,RL值愈小,灵敏度也愈高。但是RL值减小时,UR也将减小。实际使用中,RL也可以是串联电流表的内阻。若是用于控制装置中,则R为取样电阻。如果电压UR输出太小,可以经过放大器进行放大后再输出。图3所示为不同几何形状的几何磁阻效应实验结果。其中的圆形晶片叫科尔宾元件,其盘中心有一圆形电极,盘的外沿是一个环形电极。两电极间形成一电阻器,电流在两个电极间流动时,载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲而使电阻增大。3金属短路条的生成根据物理磁阻效应中Δρ/ρ与μ和B的关系,应保证μ·B>1才满足要求,当B=0.3T时,应有μ>3.3×104cm2/V·S才满足。半导体材料InSb和InAs的μ值都可超过这要求。衬底材料,可选用陶瓷、微晶玻璃或铁氧体材料。对衬底材料的厚度均匀性有严格要求,其误差为1μm左右。为提高磁敏电阻的灵敏度,在衬底反面要粘贴能收集磁力线的纯铁集束片。为提高磁敏电阻的灵敏度,在InSb溶解时渗入Ni,使之析出具有方向性的针状NiSb,在与电流方向成直角的方向上起到金属短路条的作用,从而得到电阻变化大的InSb-NiSb共晶材料磁敏电阻。金属短路条也起到提高磁敏电阻灵敏度的作用。它是在长(l)、宽(b)及厚(d)的长方形磁敏电阻上沉积许多金属短路条,见图4。将磁敏电阻分割为宽为b,长满足的许多子元件。金属短路条的数量n应满足n+1≥0.35b;假如每个子元件在无磁场和有磁场时,电阻分别为R0和RB;总零磁场电阻和有磁场电阻为其(n+l)倍。图1栅格磁敏电阻外形4移动磁场传感器用InSb或InSb-NiSb磁敏电阻作为磁敏传感器的核心部件,可组成下列传感器:4-1检测磁场强度,在电磁兼容技术中得到重视。我们用四个800Ω的MR组成惠斯登电桥,桥路电流为10mA,可检测磁场范围为,分辨率为(地磁场为),可在-30～70℃温度环境下良好地工作。4-2非接触式线位移传感器。检测位移与位移量有关的机械量,如尺寸、厚度、位置和距离等。4-3360°无触点旋转电位器。可以控制磁带张力、摄影机光阑、油压、流量、行程、开关等。4-4非接触压力传感器。4-5精密测量倾角传感器。监测平衡、姿态,控制水平位置、姿态角;测量倾斜角、位置等。有一种三轴捷联式磁场计,是一种带微处理的智能传感器,量程±2×10-4T,分辨率小于7×10-9T,读数与实际方位的分辨率之差0.02°;可用于航空、航海的导航系统,是替换磁通门的最佳产品。其成本低、高灵敏度、快速响应、小尺寸和高可靠性都优于机械结构或其它磁场计;因此,它也可用于移动车辆的监控、人造卫星导航和姿态角的测控。5mri/mr法上述介绍的是常规的磁敏电阻(OrdinaryMR)的工作机理和应用,它是基于磁场对电子的洛伦兹力,实际上ΔR/R是较小的。现在一种巨磁电阻(GiantMR)的研制与应用正以惊人的速度发展。一种多晶非均匀颗粒系统的巨磁电阻效应十分明显,为了保持这种单钙钛矿结构,银的含x在0.25以下,当x>0.25后,材料由钙钛矿相和富银合金相组成;在x=0.30时,在室温条件下巨磁电阻效应