磁電阻傳感器的磁阻效應(yīng)

磁電阻傳感器的磁阻效應(yīng)

1半導(dǎo)體磁阻值的研究進(jìn)展磁阻是指在磁作用下，由引導(dǎo)體或半夏主導(dǎo)的mr值改變電阻值的現(xiàn)象。最近20年來(lái),在新現(xiàn)象(如巨磁電阻)、新材料和器件、新技術(shù)應(yīng)用等方面都出現(xiàn)了若干突破性的進(jìn)展;并形成新的學(xué)科:磁電子學(xué)。引起科技界特別是電氣行業(yè)的密切關(guān)注。2磁流密度下降如圖1所示,長(zhǎng)l,寬b和厚度d的長(zhǎng)方形半導(dǎo)體晶片受到與電流方向1c垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度B作用時(shí),不但產(chǎn)生眾所周知的霍爾效應(yīng),還會(huì)出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象。其工作機(jī)理是下列兩個(gè)原因:2.1磁阻效應(yīng)與約束在霍爾電場(chǎng)EH作用下,運(yùn)動(dòng)速度為V=Eμ(E為電場(chǎng)強(qiáng)度,μ為載流子遷移率)的電子不發(fā)生偏轉(zhuǎn);而速度大于或小于V的電子運(yùn)動(dòng)方向受EH的作用都發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化的直接結(jié)果是沿電流方向(半導(dǎo)體器件長(zhǎng)邊)電流密度減小,電阻率增加,這種現(xiàn)象稱(chēng)為物理磁阻效應(yīng)。用電阻率相對(duì)變化率Δρ/ρ表示磁阻效應(yīng)。在磁場(chǎng)強(qiáng)度B不太大時(shí),△ρ/ρ與μ2、B2成正比;在強(qiáng)磁場(chǎng)情況下,Δρ/ρ與μ、B成正比;當(dāng)B趨向無(wú)限大時(shí),電阻率ρ趨向飽和。2.2磁敏電阻的幾何尺寸在相同磁場(chǎng)作用下,由于半導(dǎo)體晶片幾何形狀不同導(dǎo)致電阻值不同變化的現(xiàn)象稱(chēng)做幾何磁阻效應(yīng),其原因是半導(dǎo)體內(nèi)部電流分布受外磁場(chǎng)作用發(fā)生變化,如圖2所示。由于霍爾電場(chǎng)EH(y方向)受到電流的電極短路作用而減弱,結(jié)果使電子運(yùn)動(dòng)方向受磁場(chǎng)力(洛侖茲力)影響發(fā)生偏斜。偏斜的電流方向與外加電場(chǎng)方向夾角θ為霍爾角。而在半導(dǎo)體晶片中間部分,霍爾電場(chǎng)不受電流電極的短路作用,電子運(yùn)動(dòng)方向因電場(chǎng)力與磁場(chǎng)力平衡不發(fā)生變化。而外加電場(chǎng)受霍爾電場(chǎng)EH的作用也發(fā)生偏斜,偏斜方向與電流方向夾角也稱(chēng)霍爾角θ?；魻柦铅鹊拇笮∮蓆anθ=決定。近似計(jì)算時(shí),磁敏電阻率的相對(duì)變化量為:式中C為與磁敏電阻元件的幾何尺寸有關(guān)的常數(shù):于是,磁敏電阻r可寫(xiě)為:式中半導(dǎo)體晶片的幾何常數(shù),見(jiàn)圖1。由式(3)可以看出,電流Ic與B的關(guān)系,式(3)中R1為外加電阻,借以取樣時(shí),便有電阻R1上壓降UR為:從式(4)中可以看出,在d一定時(shí),愈大,靈敏度愈高,RL值愈小,靈敏度也愈高。但是RL值減小時(shí),UR也將減小。實(shí)際使用中,RL也可以是串聯(lián)電流表的內(nèi)阻。若是用于控制裝置中,則R為取樣電阻。如果電壓UR輸出太小,可以經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大后再輸出。圖3所示為不同幾何形狀的幾何磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中的圓形晶片叫科爾賓元件,其盤(pán)中心有一圓形電極,盤(pán)的外沿是一個(gè)環(huán)形電極。兩電極間形成一電阻器,電流在兩個(gè)電極間流動(dòng)時(shí),載流子的運(yùn)動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)作用而發(fā)生彎曲而使電阻增大。3金屬短路條的生成根據(jù)物理磁阻效應(yīng)中Δρ/ρ與μ和B的關(guān)系,應(yīng)保證μ·B>1才滿(mǎn)足要求,當(dāng)B=0.3T時(shí),應(yīng)有μ>3.3×104cm2/V·S才滿(mǎn)足。半導(dǎo)體材料InSb和InAs的μ值都可超過(guò)這要求。襯底材料,可選用陶瓷、微晶玻璃或鐵氧體材料。對(duì)襯底材料的厚度均勻性有嚴(yán)格要求,其誤差為1μm左右。為提高磁敏電阻的靈敏度,在襯底反面要粘貼能收集磁力線的純鐵集束片。為提高磁敏電阻的靈敏度,在InSb溶解時(shí)滲入Ni,使之析出具有方向性的針狀NiSb,在與電流方向成直角的方向上起到金屬短路條的作用,從而得到電阻變化大的InSb-NiSb共晶材料磁敏電阻。金屬短路條也起到提高磁敏電阻靈敏度的作用。它是在長(zhǎng)(l)、寬(b)及厚(d)的長(zhǎng)方形磁敏電阻上沉積許多金屬短路條,見(jiàn)圖4。將磁敏電阻分割為寬為b,長(zhǎng)滿(mǎn)足的許多子元件。金屬短路條的數(shù)量n應(yīng)滿(mǎn)足n+1≥0.35b;假如每個(gè)子元件在無(wú)磁場(chǎng)和有磁場(chǎng)時(shí),電阻分別為R0和RB;總零磁場(chǎng)電阻和有磁場(chǎng)電阻為其(n+l)倍。圖1柵格磁敏電阻外形4移動(dòng)磁場(chǎng)傳感器用InSb或InSb-NiSb磁敏電阻作為磁敏傳感器的核心部件,可組成下列傳感器:4-1檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度,在電磁兼容技術(shù)中得到重視。我們用四個(gè)800Ω的MR組成惠斯登電橋,橋路電流為10mA,可檢測(cè)磁場(chǎng)范圍為,分辨率為(地磁場(chǎng)為),可在-30～70℃溫度環(huán)境下良好地工作。4-2非接觸式線位移傳感器。檢測(cè)位移與位移量有關(guān)的機(jī)械量,如尺寸、厚度、位置和距離等。4-3360°無(wú)觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)電位器。可以控制磁帶張力、攝影機(jī)光闌、油壓、流量、行程、開(kāi)關(guān)等。4-4非接觸壓力傳感器。4-5精密測(cè)量?jī)A角傳感器。監(jiān)測(cè)平衡、姿態(tài),控制水平位置、姿態(tài)角;測(cè)量?jī)A斜角、位置等。有一種三軸捷聯(lián)式磁場(chǎng)計(jì),是一種帶微處理的智能傳感器,量程±2×10-4T,分辨率小于7×10-9T,讀數(shù)與實(shí)際方位的分辨率之差0.02°;可用于航空、航海的導(dǎo)航系統(tǒng),是替換磁通門(mén)的最佳產(chǎn)品。其成本低、高靈敏度、快速響應(yīng)、小尺寸和高可靠性都優(yōu)于機(jī)械結(jié)構(gòu)或其它磁場(chǎng)計(jì);因此,它也可用于移動(dòng)車(chē)輛的監(jiān)控、人造衛(wèi)星導(dǎo)航和姿態(tài)角的測(cè)控。5mri/mr法上述介紹的是常規(guī)的磁敏電阻(OrdinaryMR)的工作機(jī)理和應(yīng)用,它是基于磁場(chǎng)對(duì)電子的洛倫茲力,實(shí)際上ΔR/R是較小的?，F(xiàn)在一種巨磁電阻(GiantMR)的研制與應(yīng)用正以驚人的速度發(fā)展。一種多晶非均勻顆粒系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)十分明顯,為了保持這種單鈣鈦礦結(jié)構(gòu),銀的含x在0.25以下,當(dāng)x>0.25后,材料由鈣鈦礦相和富銀合金相組成;在x=0.30時(shí),在室溫條件下巨磁電阻效應(yīng)