磁敏元件.ppt

11.2 磁敏元件 磁敏元件包括磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管等。 11.2.1磁敏电阻（磁阻元件） 磁敏电阻是利用某些材料的磁阻效应制成的对磁场敏感的元件，这种元件像电阻一样，有两个端子，结构简单，连接方便。 1.磁敏电阻的工作原理和结构 载流导体置于磁场中，除产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场发生变化。这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。利用这种效应制成的元件称为磁敏电阻。一般金属中磁阻效应很微弱。半导体中较显著，用半导体材料制作磁敏电阻也便于集成。某些磁性、非磁性材料中也存在很强的磁阻效应。下面以半导体为例，说明磁阻效应的原理。 影响半导体电阻改变的原因首先是载流子在磁场中运动受到洛仑兹力的作用。如下图中（a）所示，若无外加磁场，也不考虑电子受散射的影响，则电子做直线运动，方向和电流相反。若再考虑散射的影响，则在无规则折线运动的基础上逆电流方向运动，如下图（b）所示。施加垂直于运动方向的外磁场时，电子受洛仑兹力的作用，每段折线都会变成弧线，如下图（c）所示。由于电子所经过的路程增加了，迁移率减小了，所以电阻率增加了。这种效应称为物理磁阻效应。 影响半导体电阻改变的另一个原因是霍尔电场的作用，它使得磁敏电阻的阻值改变量与其几何形状有关，称为几何磁阻效应。上图（c）中，考虑霍尔电场的影响时，只要速度有逆着电流方向的分量，霍尔电场对电子的作用力就部分（甚至全部）抵消了洛仑兹力的作用，弧线的弯曲程度就会变小，如上图（d）所示，电阻增加量就变小。但通过选择合适的磁敏电阻形状，使霍尔电场难以建立或根本就建立不起来，则其影响可减小或消除。 （1）长方形磁阻元件 使其长度l小于宽度b,依靠两端电极的短路作用，使霍尔电场难以建立，可获得较显著的磁阻效应。如下图(a)所示。 若bl,尽管两端电极仍有短路作用，由于半导体电阻的存在，在元件中部仍会建立起较强的霍尔电场，使得磁阻效应变得不明显。如下图(b)所示。 （2）科尔宾(科比诺）元件 科尔宾元件是圆盘形元件，它是最佳形状。圆盘中心有一电极，圆盘外沿是一环形电极。电流沿半径方向流动，电流的横向是闭合的圆，霍尔电势被全部短路而不在外部出现，无法建立霍尔电场，可获得最大的磁阻效应。 （3）平面电极元件 虽然科尔宾元件磁阻效应最佳，但其阻值太小，实用价值不大。长方形元件lb时，磁阻效应较显著，但阻值仍不够大。为此，常将多个这样的元件串联起来提高阻值，也方便调整阻值，即平面电极元件。 在高电子迁移率材料InSb半导体薄片上，通过光刻的方法插入许多平行等间距的In金属条构成 栅格，相当于许多磁敏电阻串联，既增加了零磁场时的电阻，又提高了灵敏度。 （4）InSb-NiSb共晶磁阻元件 InSb-NiSb共晶材料的特点是在InSb晶体中掺杂NiSb,结晶过程中会析出沿着一定方向排列的NiSb晶体。 NiSb针状晶体直径1μm，长度100 μm左右，导电性良好。由于针状晶体是平行整齐、有规则排列的，可将它看作栅格金属条，起到短路霍尔电势的作用。 无论平面电极元件或InSb-NiSb共晶磁阻元件，为进一步提高阻值，可采用曲折形结构，单个曲折或两个曲折构成差动元件。其优点是可将磁阻元件阻值在无磁场情况下做到数百欧甚至数千欧。 2.磁敏电阻的主要技术参数 （1）灵敏度 磁感应强度为B时的阻值RB与无磁场时的阻值R0的比值称为磁敏电阻的灵敏度。有的厂家也用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示。 （2）温度系数 温度每变化1℃磁敏电阻的相对变化称为磁敏电阻温度系数。半导体磁敏电阻受温度影响较大，为补偿其温度特性，一般用两个元件串联，差动方式输出，或用三端差分型磁敏电阻。 3.几种磁阻元件的参数及特性 （1）MR214A/223A，MR413A/414A 它们是日本电气公司的产品。 MR214A/223A由两只磁阻元件组成，是由强磁性金属薄膜制成的磁阻元件，工作在磁性饱和区（约4000A/m），主要用于汽车、测量仪器上，可检测旋转、角度、位移等参数。 MR214A/223A由四只磁阻元件组成，有两相输出，不仅能检出旋转、角度、位移等参数，还可测出旋转方向。 （2）FPC/FPA系列 这种系列磁敏电阻内部有放大器、整形电路，其特点是信噪比高，并有良好的频率特性，可用于位置、转速的检测，也可用作接近开关。 （3）BS系列图形识别传感器 这种系列的磁阻传感器除用来检测磁性体的位置及旋转外，主要用于识别纸币真伪及检测用