銻化銦磁電阻傳感器的磁阻特性測(cè)量及應(yīng)用

1、實(shí)驗(yàn)八43 5 銻化銦磁阻特性測(cè)量磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤(pán)、交通車(chē)輛檢測(cè)，導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢測(cè)、位置測(cè)量等，其中最典型的銻化銦（InSb）傳感器是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的磁電阻，有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，使用兩種材料的傳感器：利用砷化鎵（GaAs）霍爾傳感器測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，研究銻化銦（InSb）磁阻傳感器的電阻隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化情況。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 、測(cè)量銻化銦傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的關(guān)系。 2 、作出銻化銦傳感器的電阻變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線(xiàn)。 3 、對(duì)此關(guān)系曲線(xiàn)的

2、非線(xiàn)性區(qū)域和線(xiàn)性區(qū)域分別進(jìn)行曲線(xiàn)和直線(xiàn)擬合。二、實(shí)驗(yàn)儀器FD-MR-型磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀（：直流雙路恒流電源、 022V 直流數(shù)字電壓表、電磁鐵、數(shù)字式毫特儀（GaAs作探測(cè)器）、銻化銦（InSb）磁阻傳感器、電磁鐵及雙向單刀開(kāi)關(guān)等）、示波器、電阻箱、電磁鐵、正弦交流低頻發(fā)生器，雙向單刀開(kāi)關(guān)及導(dǎo)線(xiàn)若干。三、實(shí)驗(yàn)原理 在一定條件下，載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值 R 隨磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 變化的規(guī)律稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。如圖 43-1 所示，當(dāng)半導(dǎo)體處于磁場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體的載流子將受洛侖茲力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)，如果霍爾電場(chǎng)作用和某一速度的載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或大于

3、該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量將減少，電阻增大出現(xiàn)橫向磁阻效應(yīng)。如果將圖43-1中的 a 端和 b 端短路，磁阻效應(yīng)更明顯。通常以電阻率的相對(duì)改變量來(lái)表示磁阻的大小，即用 表示。其中為零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率，設(shè)磁阻在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)作用下的電阻率為，則 。由于磁阻傳感器電阻的相對(duì)變化率 R/R(0)正比于，這里R = R(B)R(0)，因此也可以用磁阻傳感器電阻的相對(duì)改變量R/R(0)來(lái)表示磁阻效應(yīng)的大小。測(cè)量磁阻電阻值R與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的關(guān)系所用實(shí)驗(yàn)裝置及線(xiàn)路如圖 43-2 所示。圖43-1 磁阻效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)金屬或半導(dǎo)體處于較弱磁場(chǎng)中時(shí)，一般磁阻傳感器電阻

4、相對(duì)變化率R/R(0)正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的二次方，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中R/ R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系。磁阻傳感器的上述特性在物理學(xué)和電子學(xué)方面有著重要應(yīng)用。如果半導(dǎo)體材料磁阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交流磁場(chǎng)中，由于磁電阻相對(duì)變化量 R/R(0)正比于B2，那么磁阻傳感器的電阻 R 將隨角頻率 2作周期性變化。圖 43-2 測(cè)量磁電阻實(shí)驗(yàn)裝置若外界交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B為：B=B0cost (43-1)(43-1)式中，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅，為角頻率，t為時(shí)間。設(shè)在弱磁場(chǎng)中 R/R(0)=KB2 (43-2)(43-2)式中， K為常量。由（43-1）式和（43-2）式可得 (43-

5、3) (43-3) (43-3) 式中，為不隨時(shí)間變化的電阻值， 而為以角頻率2作余弦變化的電阻值。因此，磁阻傳感器的電阻值在弱正弦波交流磁場(chǎng)中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻阻值變化。以銻化銦為例，磁阻在交流磁場(chǎng)下對(duì)正弦信號(hào)的倍頻效應(yīng)可以形象直觀(guān)地說(shuō)明磁場(chǎng)在小于0.06T時(shí)，該磁阻器件的特性非常類(lèi)似于光學(xué)二階非線(xiàn)性效應(yīng)。與銻化銦器件有類(lèi)似性質(zhì)的由四只薄膜合金器件組成的非平衡電橋磁阻傳感器已將磁阻器件集成化，并通過(guò)附加場(chǎng)的補(bǔ)償作用使測(cè)量區(qū)域處于線(xiàn)性區(qū)域，更方便地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、探礦和軍事等領(lǐng)域中。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1在銻化銦磁阻傳感器電流或電壓保持不變的條件下，測(cè)量銻化銦磁阻傳感器的電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的

6、變化關(guān)系，作R/R(0）與 B 的關(guān)系曲線(xiàn)，并進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。實(shí)驗(yàn)時(shí)注意 GaAs 和 InSb 傳感器工作電流應(yīng)小于 3mA。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）直流勵(lì)磁恒流源與電磁鐵輸入端相聯(lián)連，通過(guò)調(diào)節(jié)該直流恒流電源控制電位器可改變輸入電磁鐵電流大小，從而改變電磁鐵間隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小。 （2）按圖 43-2 所示將銻化銦磁阻傳感器與電阻箱串聯(lián)，并與可調(diào)直流電源相接，數(shù)字電壓表的一端連接磁阻傳感器電阻箱公共接點(diǎn)，另一端與單刀雙向開(kāi)關(guān)的刀口處相連；。（3）確定通過(guò)銻化銦磁阻傳感器的工作電流。（34）通過(guò)電磁鐵的直流電流逐漸由小增加，讀出磁感應(yīng)強(qiáng)度 B。通過(guò)分別測(cè)量通過(guò)銻化銦磁阻傳感器的不同的電流值及磁

7、阻器件兩端的電壓值。以求得磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 時(shí)銻化銦磁阻傳感器的電阻 R，作出求出 R與B的關(guān)系圖。注：由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)得出銻化銦磁阻器件在 B <0.06T 時(shí)，R/R(0)為二次函數(shù)。B > 0.12T 時(shí)，R / R (0)為 B 的一次函數(shù)，如果要使磁阻器件工作在線(xiàn)性范圍內(nèi)，應(yīng)使其工作在大于 0.12T強(qiáng)的磁場(chǎng)下，其他的正常磁阻器件也有類(lèi)似的特性。 2如圖 43-3 所示，將電磁鐵的線(xiàn)圈引線(xiàn)與正弦交流低頻發(fā)生器輸出端相接；銻化銦磁阻傳感器通以 2.5mA 直流電，用示波器測(cè)量磁阻傳感器兩端電壓與電磁鐵兩端電壓構(gòu)成的李薩如圖形如43-4所示，證明在弱正弦交流磁場(chǎng)情況下，磁阻

8、傳感器的阻值具有交流正弦倍頻特性。ABDRSNV圖 43-3 觀(guān)察 磁阻傳感器倍頻效應(yīng)原理圖電磁鐵分壓(和縱軸不一樣)電磁鐵分壓圖 43-4 李薩如圖形五、思考題 1 什么叫做磁阻效應(yīng)？霍爾傳感器為何有磁阻效應(yīng)？ 2 銻化銦磁阻傳感器在弱磁場(chǎng)時(shí)和強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的電阻值與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系有何不同？這兩種特性有什么應(yīng)用？附錄一 ：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理參考 1、. 取樣電阻 R= 298 . 9300 電壓 U= 298.9300m V ;。 2. 、求出電流。表 43-1電磁鐵InSbBR/R(0)對(duì)應(yīng)關(guān)系I/(mA)U/(mvmV)B /(mT)R (/)R/R(0)0395.10.0395.109.9396.

9、110.0396.10.00319400.520.0400.50.01429406.830.0406.80.03038415.040.04150.05047425.150.0425.10.07656436.360.0436.30.10466449.070.04490.13494491.5100.0491.50.244141552.1150.0552.10.397188590.3200.0590.30.494236623.9250.0623.90.580284655.6300.0655.60.659332688.3350.0688.30.742381722.5400.0722.50.829430

10、758.0450.0758.00.919479793.5500.0793.51.00813. 、對(duì)表43-1數(shù)據(jù)在時(shí)，對(duì)R/R（0）作曲線(xiàn)擬合見(jiàn)如下表43-2，擬合得： (43-4)可知，在B<0.06T時(shí)，磁阻變化率與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成二次函數(shù)關(guān)系。表 43-2 0.002531 0.0136674 0.0296127 0.0503669 0.0761326 0.10427730.010.020.030.040.050.06 0.0002531 0.0002733 0.0008883 0.0020146 0.0038066 0.0062566 0.0000064 0.0001867 0.0

11、008769 0.0025368 0.0057961 0.0108737 0.0001 0.0004 0.0009 0.0016 0.0025 0.0036 0.27405690.21 0.0133 0.020280.00914.2 、 對(duì)表 43-1 數(shù)據(jù)在 B>0.。12T 時(shí)對(duì) R/R(0）作曲線(xiàn)擬合見(jiàn)如下表 43-3： ，擬合得 (43-5) 由上面擬合可知，在 B>0.12時(shí)磁阻變化率R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成一次函數(shù)關(guān)系。整體磁阻變化率R/R(0)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系曲線(xiàn)如圖43-5所示。表 43-3 0.3973 0.494 0.5799 0.6593 0.74209 0.8286 0.9185 1.00830.150.200.250.300.350.400.450.50 0.05956 0.0988 0.1447734 0.19779 0.25973 0.33144 0.413325 0.50514 0.1