磁敏電阻工作原理、特性以及電路符號(hào)與應(yīng)用

磁敏電阻是一種對(duì)磁敏感、具有磁阻效應(yīng)的電阻元件。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。磁敏電阻通常用銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs）等對(duì)磁具有敏感性的半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)，其中物理磁阻效應(yīng)又稱為磁電阻率效應(yīng)。

什么是磁敏 電阻

磁敏電阻是一種對(duì)磁敏感、具有磁阻效應(yīng)的電阻元件。物質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。磁敏電阻通常用銻化銦（InSb）或砷化銦（InAs）等對(duì)磁具有敏感性的半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)，其中物理磁阻效應(yīng)又稱為磁電阻率效應(yīng)。

當(dāng)外加磁場(chǎng)的方向或強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，磁敏電阻的阻值相應(yīng)改變［2］，利用該變化，可精確地測(cè)試出磁場(chǎng)的相對(duì)位移。例如，在一個(gè)長(zhǎng)方形半導(dǎo)體InSb片中，沿長(zhǎng)度方向有電流通過時(shí)，若在垂直于電流片的寬度方向上施加一個(gè)磁場(chǎng)，半導(dǎo)體InSb片長(zhǎng)度方向上就會(huì)發(fā)生電阻率增大的現(xiàn)象。

磁敏電阻器的特點(diǎn)

1、磁阻效應(yīng)原理；

2、磁檢測(cè)靈敏度高；

3、輸出信號(hào)幅值大；

4、抗電磁干擾能力強(qiáng)；

5、分辨力高。

磁敏電阻器的主要參數(shù)

1）磁阻比：指在某一規(guī)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻器的阻值與零磁感應(yīng)強(qiáng)度下的阻值之比。

2）磁阻系數(shù)：指在某一規(guī)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻器的阻值與其標(biāo)稱阻值之比。

3）磁阻靈敏度：指在某一規(guī)定的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻器的電阻值隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的相對(duì)變化率。

磁敏電阻工作原理

磁敏材料

磁敏材料能通過磁阻效應(yīng)將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。磁阻效應(yīng)包括材料的電阻率隨磁場(chǎng)而變化和元件電阻值隨磁場(chǎng)而變化兩種現(xiàn)象。前者稱磁電阻率效應(yīng)或物理磁阻效應(yīng)，后者稱為磁電阻效應(yīng)或幾何磁阻效應(yīng)。

磁敏電阻材料主要是電子遷移率大的半導(dǎo)體材料，還有鐵鎳鈷合金。常用的半導(dǎo)體有InSb（或InSb-NiSb共晶材料）、砷化銦（InAs）和砷化鎵（GaAs）等材料，一般用N型。

高純度InSb和InAs的電子遷移率分別為5.6～6.5m/（V·s）和2.0～2.5m/（V·s）。InSb的禁帶寬度小，受溫度影響大。GaAs的禁帶寬度大，電子遷移率也相當(dāng)大［0.8m/（V·s）］，受溫度影響小，且靈敏度也高。

鎳鈷合金和鎳鐵合金的電阻溫度系數(shù)小，性能穩(wěn)定，靈敏度高，且具有方向性，可制作強(qiáng)磁性磁阻器件，用于磁阻的檢測(cè)等方面。

用半導(dǎo)體材料制作的磁敏電阻器、無(wú)觸點(diǎn)電位器、模擬運(yùn)算器和磁傳感器等應(yīng)用于測(cè)量、計(jì)算機(jī)、無(wú)線電和自動(dòng)控制等方面。半導(dǎo)體InSb-NiSb磁敏電阻器用于磁場(chǎng)、電流、位移和功率測(cè)量及模擬運(yùn)算器等方面，其阻值為10Ω～1kΩ，相對(duì)靈敏度6～18（B=1T），溫度系數(shù)-2.9%～0.09%（1/℃）（B=1T），極限工作頻率1～10MHz。在測(cè)量小于0.01T的弱磁場(chǎng)時(shí)，必須附加以偏置磁場(chǎng)才能進(jìn)行。

Ni-Co薄膜磁敏電阻器主要用于探測(cè)磁場(chǎng)方向、磁帶位置檢測(cè)、測(cè)量和控制轉(zhuǎn)速或速度以及無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等方面。阻值有1、10、250kΩ，相對(duì)靈敏度2%以上（3&TImes;10T下），溫度系數(shù)3000±500&TImes;10（1/℃），感應(yīng)磁場(chǎng)3&TImes;10T以上，工作溫度-55～150℃。在檢測(cè)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)或可逆磁場(chǎng)以下的磁信號(hào)時(shí)，也應(yīng)采用偏置磁場(chǎng)。

結(jié)構(gòu)及原理

1.、半導(dǎo)體磁敏電阻

通常半導(dǎo)體磁敏電阻是由基片、半導(dǎo)體電阻條（內(nèi)含短路條）和引線三個(gè)主要部分組成的?；纸幸r底，一般是用0.1~0.5mm厚的云母、玻璃作成的薄片，也有使用陶瓷或經(jīng)氧化處理過的硅片作基片的。電阻條一般是用銻化錮（InSb）或砷化銦（InAs）等半導(dǎo)體材料制成的半導(dǎo)體磁敏電阻條，在制造過程中，為了提高磁敏電阻的阻值，縮小其體積、提高靈敏度常把它作成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

圖1 半導(dǎo)體磁敏電阻構(gòu)造

半導(dǎo)體材料的電阻率ρ隨外磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化的現(xiàn)象叫作半導(dǎo)體的物理磁阻效應(yīng)或叫作磁阻率效應(yīng)。這是由于在外施磁場(chǎng)的作用下，流經(jīng)半導(dǎo)體磁敏電阻的載流子受洛侖茲力的作用使其流動(dòng)路徑發(fā)生偏斜，從而造成它從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所流過的途經(jīng)（即載流子運(yùn)動(dòng)的軌跡）要比無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)所通過的途經(jīng)要長(zhǎng)，故其電阻值增大。我們把載流子在磁場(chǎng)作用下的平均偏斜角度θ叫作平均霍爾角。它與外施磁場(chǎng)及載流有如下關(guān)系：

式中一文看懂磁敏電阻工作原理及特性為電子遷移率；B為外施磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。從式（1）可以看出：半導(dǎo)體磁敏電阻材料的載流子遷移率越大，其偏斜的平均霍爾角就越大，電阻的變化就越大。這種電阻的變化和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系大致可以認(rèn)為：在弱磁場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體磁敏電阻的相對(duì)變化率R/R0與所施磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比；而在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體磁敏電阻的相對(duì)變化率ΔR/R0則與所施磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。

2、磁性金屬薄膜磁敏電阻

強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻器件的結(jié)構(gòu)如圖2所示，和半導(dǎo)體磁敏電阻一樣，它也是由基片、強(qiáng)磁性金屬薄膜的電阻體和內(nèi)外引線三部分組成的?；话闶怯煤駷?.1~0.5mm的玻璃片、高頻陶瓷片或經(jīng)氧化處理的硅片制成；電阻體通常是采用半導(dǎo)體平面工藝中的真空鍍膜（或?yàn)R射）、光刻、腐蝕工藝而制成的;內(nèi)引線是用硅鋁絲或金絲采用超聲壓焊或金絲球焊而焊接的，找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城外引線是用非磁性的銅片等材料焊接的。

圖2 強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻構(gòu)造

磁敏電阻電路符號(hào)

下圖為磁敏電阻在電路中的圖形符號(hào)，用大寫的R表示電阻，用字母M表示其阻值與磁性相關(guān)。

下圖所示是3根引腳磁敏電阻的等效電路，兩根引腳之間加有5V直流工作電壓，另一根引腳輸出信號(hào)。

磁敏電阻的應(yīng)用

1．作控制元件

可將磁敏電阻用于交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、磁通密度電壓變換器和位移電壓變換器等等。

2．作計(jì)量元件

可將磁敏電阻用于磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量、位移測(cè)量、頻率測(cè)量和功率因數(shù)測(cè)量等諸多方面。

3．作模擬元件

可在非線性模擬、平方模擬、立方模擬、三次代數(shù)式模擬和負(fù)阻抗模擬等方面使用。

4．作運(yùn)算器

可用磁敏電阻在乘法器、除法器、平方器、開平方器、立方器和開立方器等方面使用。

5．作開關(guān)電路

可應(yīng)用在在接近開關(guān)、磁卡文字識(shí)別和磁電編碼器等方面。

6．作磁敏傳感器

用磁敏電阻作核心元件的各種磁敏傳感器，其工作原理都是相同的，只是根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)不同而種類各異。主要有：

①測(cè)磁傳感器。如新型磁通表，測(cè)定恒定磁場(chǎng)及交變磁場(chǎng)或電機(jī)電器等剩磁的儀器，用于航海、航空的導(dǎo)航儀器。

②轉(zhuǎn)速傳感器。如構(gòu)成新型的數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、頻率計(jì)等。

③位移和角位移傳感器。微位移傳感器是工業(yè)用機(jī)器人的基本器件。

④鐵磁物質(zhì)探傷用的傳感器。

⑤可變電阻器、無(wú)接觸電位器以及無(wú)觸點(diǎn)、高性能的磁開關(guān)（作定位及控制用）。

磁敏電阻和電子元件配合可以構(gòu)成振蕩器、乘法器、函數(shù)發(fā)生器、調(diào)制器、交直流變換器和倍頻器等，還可用來鑒別磁性油墨印的紙幣和票證的真?zhèn)巍?/p>

磁敏電阻應(yīng)用電路

下圖所示是磁敏電阻應(yīng)用電路，電路中，R1和R2是磁敏電阻，A1為電壓比較器。

電路中，R3和R4構(gòu)成分壓電路，其輸出電壓通過電阻R6加到A1的2腳，作為基準(zhǔn)電壓。當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，磁敏電阻R1和R2分壓電路輸出電壓大小發(fā)生變化，這一變化的電壓通過電阻R5加到A1的1腳，這樣A1的輸出端3腳電壓大小也隨之做相應(yīng)的改變，這一變化信號(hào)經(jīng)C1耦合后得到輸出信號(hào)U。