傳感器課件：磁電阻式傳感器（MR傳感器）

1、磁電阻式傳感器（MR傳感器） 鐵磁物質(zhì)中存在著兩類電阻 “反?，F(xiàn)象”，第一類“反常現(xiàn)象”中，電阻率隨著磁化強(qiáng)度而變化，不依賴于磁場(chǎng)的方向，且對(duì)溫度極為敏感，在居里點(diǎn)附近電阻率發(fā)生急劇變化。有人認(rèn)為其電阻率的變化率正比于總磁化強(qiáng)度的平方I2和某一起始值之差，這個(gè)起始值與自發(fā)磁化強(qiáng)度的平方 成正比，所以一、鐵磁體中的磁電阻效應(yīng) 第二類“反常現(xiàn)象”叫做磁電阻各向異性效應(yīng)，是thomson在1857年發(fā)現(xiàn)的。這個(gè)效應(yīng)依賴于鐵磁體中電流密度J與磁化強(qiáng)度I的相對(duì)取向。這兩種現(xiàn)象的本質(zhì)差別在于，前者基本上只取決于原子中不成對(duì)3d電子之間的交換作用力。 而后者是鐵磁體技術(shù)磁化的結(jié)果，它與自發(fā)磁化強(qiáng)度在晶體內(nèi)的

2、取向和鐵磁體內(nèi)不同磁相的體積濃度分配有關(guān)，也就是依賴于總的技術(shù)磁化強(qiáng)度，在理論上可用電子的自旋磁矩與軌道磁矩相互耦合和電子d能帶的分裂來解釋。本節(jié)討論的就是這種效應(yīng)。磁性物理學(xué)內(nèi)容自發(fā)磁化、技術(shù)磁化、應(yīng)用磁學(xué)自發(fā)磁化 是在朗之萬順磁性理論基礎(chǔ)上，先引入“分子場(chǎng)”的概念來唯象地解釋自發(fā)磁化。出分子場(chǎng)的來源（即自發(fā)磁化的本質(zhì)）就是磁性原子（離子）電子與電子間的靜電交換相互作用。但是這種直接交換作用模型不能用于解釋鐵氧體、 3d 過渡金屬合金以及稀土的磁性，這三種物質(zhì)的磁性和自發(fā)磁化應(yīng)分別用超交換作用、能帶理論以及 RKKY 交換作用加以解釋。 掌握各理論的基本思想、重要結(jié)論；掌握亞鐵磁性代表物鐵氧

3、體的種類、各自的晶體結(jié)構(gòu)、分子式及離子分布式的書寫、分子磁矩的計(jì)算、飽和磁化強(qiáng)度的計(jì)算；掌握交換能 F ex 的概念、表達(dá)式及物理意義；理解自發(fā)磁化和居里溫度的本質(zhì)；理解超交換作用的原理；能夠用能帶理論計(jì)算 3d 過渡金屬原子磁矩；理解 RKKY 交換作用及 RKKY 理論的基本思想 。技術(shù)磁化實(shí)際中使用的磁性材料，其共同點(diǎn)是材料內(nèi)部存在磁疇，不同處是磁疇結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的變化方式不同，相應(yīng)地其磁化曲線與磁滯回線的形狀也就不同。技術(shù)磁化是在緩慢變化或低頻交變磁場(chǎng)中進(jìn)行磁化，所考慮的是磁化已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的問題。了解磁化過程及磁化機(jī)制；掌握疇壁位移磁化和疇轉(zhuǎn)磁化的機(jī)制；掌握推導(dǎo)可逆磁化時(shí)的起始磁導(dǎo)率

4、的解題方法；理解不可逆磁化過程，掌握巴克豪森跳躍的概念及過程；對(duì)于反磁化過程，理解三種產(chǎn)生磁滯的機(jī)制，掌握推導(dǎo)不可逆疇轉(zhuǎn)過程中的矯頑力 Hc 的解題方法；理解剩磁 Br 的物理概念，并掌握易磁化軸數(shù)目與剩磁比之間的關(guān)系；掌握在不同磁化狀態(tài)下自發(fā)磁化強(qiáng)度矢量在空間的分布。應(yīng)用磁學(xué) 研究與應(yīng)用有關(guān)的磁學(xué)問題。如微波磁學(xué)、磁光、磁熱、磁電、磁力相互作用的交叉現(xiàn)象。 我們首先考查Ni0.9942C0.0058合金。下圖表明了磁化強(qiáng)度M平行或垂直于電流I的縱向磁電阻率11和橫向磁電阻率。樣品磁化飽和以后，如果磁場(chǎng)增加至數(shù)千Oe，/和等量地均勻減小，/（H）和（H）所呈現(xiàn)的變化規(guī)律幾乎完全一樣。HSR0N

5、iFe合金和NiCo合金的各向異性磁電阻效應(yīng)直接與技術(shù)磁化有關(guān)，從磁化機(jī)制而言，屬于磁疇磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)過程。 為了研究/0與其它技術(shù)磁參數(shù)的相關(guān)性，我們繼續(xù)考查 NiFe和NiCo合金的/0隨合金成份的變化規(guī)律。下圖表示了獲得最大/0的合金成份。對(duì)于NiFe合金，當(dāng)x=0.9時(shí)，所得到的/0為5% ，而NixCo(1-x)合金。當(dāng)x=0.8時(shí)，/0的最大值為6%。 關(guān)于磁電阻效應(yīng)的機(jī)理，至今尚有許多不清楚的地方。磁阻傳感器的原理仍是根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所發(fā)現(xiàn)的一些規(guī)律來設(shè)計(jì)的。理論上的缺陷沒有阻止MR元件的研究和應(yīng)用塊狀與薄膜34%二、磁性薄膜MR元件的特性IH 有兩種表示磁電阻效應(yīng)的公式，兩式具有相同

6、的形式，只是一個(gè)用電阻值表示，而另一個(gè)則用電阻率表示。我們知道電阻率是材料的固有參數(shù)，而電阻值則是考慮了材料的幾何形狀的結(jié)果。在下面的分析中，我們均采用電阻值表示式來描述鐵磁薄膜的磁電阻特性。 把兩個(gè)磁電阻效應(yīng)完全相同的電阻體（鐵磁金屬薄膜A、B）象圖那樣垂直放置，以b點(diǎn)為中心將RA、RB串聯(lián)起來，讓電流流過ac端，這樣就構(gòu)成了三端型MR元件，在這種元件中以足夠強(qiáng)度的磁場(chǎng)作用于薄膜電阻平面，使元件磁化飽和。將磁場(chǎng)的角度的原點(diǎn)取在RA的電流方向上，那么這樣三端型MR元件的結(jié)構(gòu)原理圖如圖所示。RA（ ）、RB（ ）的關(guān)系為 迂回柵狀 為退磁狀態(tài)下（ 或 =450）的單個(gè)電阻值，也就是R（ ）在一周

7、內(nèi)的平均值。即 直流與交流 給定激勵(lì)電壓V的情況下輸出電壓 V正比于 值。我們稱該值為各向異性磁電阻系數(shù)。金屬 0(%)金屬 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半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)B+-FEvxEyFL-e電場(chǎng)強(qiáng)度E磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz靜電力羅倫茲力半導(dǎo)體顯著 這種MR元件和霍爾效應(yīng)元件相比具有如下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn): 1、可靠性高，使用合金材料，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定。2、溫度特性好，當(dāng)器件溫度從-20+150變化時(shí)，其電阻值呈線性變化，總電阻的溫度系數(shù)為+3.010-3/細(xì) 分3、倍頻特性。信號(hào)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，能夠得到兩個(gè)周期變化的正弦波輸出電壓。如圖所示，這一倍頻特性對(duì)于提高靈敏度是有利的。4、靈敏的方向性。下圖所示是外場(chǎng)方向與MR元件平面所呈不同夾角時(shí)的輸出特性。當(dāng)外場(chǎng)垂直于薄膜平面時(shí)，其輸出為零。因此，在使用這種傳感器時(shí)，

9、可以利用這一特性將磁敏電阻傳感器的平面與外界干擾磁場(chǎng)相垂直，就能避免外界磁場(chǎng)的干擾。 平行于MR元件面內(nèi)的磁場(chǎng)5、寬的頻帶響應(yīng)。MR元件的頻響特性如圖所示。輸出信號(hào)的大小在極寬的頻帶范圍內(nèi)與頻率無關(guān)，理論上極限頻率為發(fā)生鐵磁共振的頻率。就輸出在10MHz以內(nèi)保持不變的頻率特性來說，幾乎所有位置，轉(zhuǎn)速檢測(cè)都能使用這類傳感器。輸出頻率10MHZ06、小的飽和磁場(chǎng)。 差動(dòng)電橋直流分量 兩種輸出形式如圖所示，四個(gè)電阻單元RA、RB、RC、RD互相垂直，組成一個(gè)電橋。若在A、B而端加一直流電壓V，磁場(chǎng)方向和基準(zhǔn)方向成 角時(shí)，C、D間的輸出電壓V0為 在三端型MR元件的基礎(chǔ)上又發(fā)展了四端MR元件。參數(shù)符號(hào)

10、數(shù)值單位全阻值1.4K電源電壓DC12V輸出電壓270mV飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度HS50Oc消耗功率103mV溫度系數(shù)（恒流源）-0。05%/頻率響應(yīng)010MHz平直日本Sony公司的SDE-DM型三端元件 三、傳感器的設(shè)計(jì) MR元件的設(shè)計(jì)主要包括薄膜材料選擇，元件幾何尺寸，幾何圖形的計(jì)算，基片材料的選擇以及有關(guān)保護(hù)膜材料的選擇等。 MR元件設(shè)計(jì)的原則一是要根據(jù)使用的要求，使設(shè)計(jì)出的元件能滿足使用提出的各項(xiàng)指標(biāo)。二是要根據(jù)實(shí)際的加工能力,加工成本，在滿足使用要求的情況下，盡可能地減輕工藝壓力，降低加工成本?，F(xiàn)以三端MR元件為例，說明設(shè)計(jì)程序和在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的有關(guān)問題。線條寬度薄膜厚度 全電阻2R0=

11、1.40.1K 輸出信號(hào)Vpp=140mV 電源電壓V=12V（一）薄膜材料的選擇 NiCo技術(shù)指標(biāo)薄膜與塊狀(二)、基片材料的選擇(三)、薄膜厚度的確定厚度與腐蝕（四）、電阻條寬的確定通常25 m（五）、電阻條總長(zhǎng)及圖形的設(shè)計(jì)=1.510-6cm 2R0=1.4K R0=0.7K NiCo合金的電阻率 由于可算得n及每條長(zhǎng)度 條數(shù)為n，每條長(zhǎng)為 ,長(zhǎng)和寬相等，并令條寬w與間隔相等，則有www四、MR元件的制備基片金屬化 有選擇性的腐蝕 真空蒸發(fā)光刻板光刻膠的保護(hù) 基片清洗 真空蒸發(fā)光刻 光刻板劃片超聲焊封 裝基片金屬化有選擇性腐蝕有選擇性保護(hù)光刻膠 負(fù)型光刻膠光照射 聚合反應(yīng)分解反應(yīng)可 溶

12、不可溶可 溶 不可溶 正型光刻膠基 片金 屬 膜 光 刻 膠是什么金屬？基 片金 屬 光 刻 膠顯影液基 片金 屬 光刻 膠受到光照的地方膠被溶化顯影液腐蝕、去膠已知金屬圖形和光刻板，求光刻膠的類型金屬圖形玻璃基片遮光部分透光部分玻璃基片金屬膜五、MR傳感器的輸出電路VV0VV0VV0RR（一）. 恒壓源供電時(shí)電橋的輸出US（二）. 恒流源供時(shí)電橋的輸出I0I0I03、電橋輸出電路恒壓源供電電路如圖所示據(jù)以前的分析有當(dāng)沒有溫度影響或不考慮溫度影響時(shí)，固態(tài)壓阻式傳感器US電橋的兩個(gè)支路的電阻相等即有由此可得輸出電壓為固態(tài)壓阻式傳感器I0I0I0（三）外加偏置磁場(chǎng) 由于MR元件的倍頻特性，外場(chǎng)方向

13、的變化和輸出之間不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，若磁場(chǎng)方向變化180，而MR元件的輸出電壓卻變化了360。MR元件的倍頻特性對(duì)于作轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用時(shí)，可以提高測(cè)量靈敏度，但在檢測(cè)信號(hào)的反轉(zhuǎn)時(shí)，MR元件不能單獨(dú)使用。采用偏磁場(chǎng)的方法可以解決這個(gè)問題，下面簡(jiǎn)單介紹一下外加偏磁場(chǎng)的方法。如何獲得開關(guān)特性NSNSHX-HXHBHXHBHtNS-HXHBHt（四）能辨判旋轉(zhuǎn)方向的MR元件ABCDABCDE被測(cè)量基本屬性：大小、方向大?。狠敵鲭娏康姆捣较颍罕嫦螂娐繁嫦螂娐罚阂筝斎雰陕废辔幌嗖?0的信號(hào)122003級(jí)馬韜同學(xué)友情提供RDRBRARC21341RARBRCRD324對(duì)這種具有辨向功能的四端MR元件的使

14、用需要注意的是，電源電壓必須正確的施加。上式的導(dǎo)出是在電源電壓如圖所示的方法施加情況下的結(jié)果。如果電源電壓接在RB、RC和RA、RD的交點(diǎn)處，該電路就不具有辨向功能了，這一點(diǎn)必須充分注意。和普通四端MR元件不同，普通四通MR元件不管電源電壓加在哪二點(diǎn)，輸出電壓始終為一無直流分量的倍頻信號(hào)電壓。RDRBRARC2134U2U4USRARDRBRC六、傳感器的應(yīng)用 MR元件主要是依據(jù)對(duì)磁場(chǎng)的方向敏感即信號(hào)磁場(chǎng)方向的改變，MR元件的阻值亦相應(yīng)地改變而適用于各種應(yīng)用。 非電量作用 MR元件面內(nèi)磁場(chǎng)方向變化 MR效應(yīng) 電量輸出1. 測(cè)轉(zhuǎn)速 MR元件測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的裝置如所示。將磁體固定在旋轉(zhuǎn)體上，并使MR

15、元件的平面平行于磁場(chǎng)方向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體時(shí)，磁體隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。即磁場(chǎng)方向隨著旋轉(zhuǎn)體不斷的發(fā)生改變。當(dāng)旋轉(zhuǎn)體一周，由于MR元件的倍頻特性，輸出信號(hào)變化二周，經(jīng)放大，整形產(chǎn)生兩個(gè)電壓脈沖。此脈沖正比于旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速。如前所述，MR元件具有很寬的頻帶范圍，因此和其它轉(zhuǎn)速傳感器相比，它可適用于極高的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)上述原理可以把機(jī)械式水表齒輪和指針去掉，做成電子式水表，即用磁鐵安裝在葉輪軸上，由MR元件直接測(cè)量與水量成正比的葉輪軸轉(zhuǎn)速，計(jì)算流量。 磁旋轉(zhuǎn)編碼器2. 測(cè)量角位移3. 測(cè)量線位移450工作場(chǎng)偏置場(chǎng)合成場(chǎng)合成場(chǎng)4. 測(cè)量液位高度 利用MR元件測(cè)量液位高度的原理如圖所示。滑塊的位置對(duì)應(yīng)著液位的高度，

16、隨著液位高度的變化，滑塊沿著導(dǎo)桿自由上升和下降。在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定有一磁體，滑塊的上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)磁體旋轉(zhuǎn)，即磁場(chǎng)方向不斷變化。設(shè)液面在A位置時(shí)磁場(chǎng)的方向和MR元件夾角為 ，當(dāng)液面升至B點(diǎn)時(shí)滑塊和連接桿由圖中的實(shí)線狀態(tài)變到虛線所示的情況，結(jié)果導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)了角 ?；瑝K的位置和旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系滿足下述關(guān)系MR元件5、測(cè)壓力 測(cè)量壓力過程？6. 精密位移、角度傳感器 我們知道，利用MR元件測(cè)量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)情況時(shí)，由于MR元件的倍頻特性，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)半周，通過放大，整形后便有一個(gè)脈沖輸出。利用這種方法測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)情況，測(cè)量分辨率為半周。若將旋轉(zhuǎn)磁體改用多極磁體，設(shè)旋轉(zhuǎn)磁體的磁極對(duì)數(shù)為n,那么,旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)一周,將

17、有2n個(gè)脈沖輸出,這時(shí)測(cè)量的分辨率為1/2n周.下圖示出了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁極對(duì)數(shù)為4的旋轉(zhuǎn)體測(cè)試示意圖，當(dāng)旋轉(zhuǎn)1/8周時(shí)，輸出端便有一個(gè)脈沖信號(hào)。由此我們可以看出，單位長(zhǎng)度內(nèi)磁極對(duì)數(shù)越多，則測(cè)量精度越高。 一種具有辨向功能的精密角位移MR傳感器如圖所示。8個(gè)MR元件相互間隔等距離排列，R8連接成如圖所示的兩組電橋結(jié)構(gòu)。很容易可以看出，這種結(jié)構(gòu)的輸出既不存在直流分量,同時(shí)輸出幅值為四元件的二倍。NSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4A1A3A4A2B1B3B3B2ViV01V02NSSNSNSSSNNN線條寬度薄膜厚度A1A3A4A2B1B3B4B2ViV01V02NSSNNNA1B2B4B3B

18、1A3A2A4NSSNSNSSSNNNNSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4W很小A1A4A3A2B1B4B3B2ViV01V02NSSNSNSSSNNNRDRBRARC2134由磁柵傳感器一章可知，利用錄磁技術(shù)可以在旋轉(zhuǎn)體上刻制出高精度的磁信號(hào)，磁柵距可以通過調(diào)整性園盤的轉(zhuǎn)速來改變。所以說密集磁信號(hào)的錄制是不成問題的。下面分析一種具有辨向功能并能精度測(cè)量角度位移的MR角度傳感器。將園磁柵展開成如圖所示的磁極分布，四個(gè)MR元件兩兩相隔 排列，R1、R2、R3、R4接成如圖所示的電橋形式。V1、V2輸出表示式為NSSNSNSSSNNNVSR1R4R3R2V1V2?VSR1R4R3R2V1V2線條寬度薄膜厚度NSNS14231.三端MR元件的電源電壓為12伏，若需要輸出振幅大于70mv的正弦信號(hào)，此時(shí)構(gòu)成MR元件的材料的 至少應(yīng)為多