薄膜磁敏電阻元件KMZ10
KMZ10系列薄膜磁阻元器是一種結(jié)構(gòu)新穎的Ni-Fe合金薄膜磁敏電阻元件,同時也是一種高靈敏度的磁性傳感器;它采用Barber結(jié)構(gòu)的橋式電路,內(nèi)含偏置磁場結(jié)構(gòu)的Ni-Fe合金薄膜磁阻元件。因而具有靈敏度高、線性范圍寬、工作頻率特性穩(wěn)定、溫度性能優(yōu)良、抗干擾能力強、體積小和結(jié)構(gòu)簡單等特點?？蓮V泛應(yīng)用于磁性編碼器、磁阻齒輪傳感器、磁阻接近開關(guān)、磁阻電流傳感器及無接觸電位器等器件。
2 原理和結(jié)構(gòu)
鐵磁性物質(zhì)的磁化過程中的電阻值將沿磁化方向隨外加磁場的增強而增大,并達到飽和的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。按照磁阻效應(yīng)原理制成的KMZ10系列薄膜磁敏電阻元件采用半導(dǎo)體技術(shù)-薄膜工藝和微細加工技術(shù),將Ni-Fe合金用真空蒸鍍或濺射工藝沉積到硅片上,再通過微細加工技術(shù)制成一定形狀的磁敏電阻元件。
KMZ10系列薄膜磁敏電阻采用Barber結(jié)構(gòu)的橋式電路元件結(jié)構(gòu)示意圖及等效電路如圖1所示。由于磁阻條長度比寬度大得多,且形狀各向異性,從而使得磁化強度沿著磁阻條長度的取向,這使得電流流向與磁阻條長度方向不再平行而成45°的結(jié)構(gòu)。從而極大地提高了弱磁場下的靈敏度,改進了磁阻特性,擴大了線性區(qū),并且可以鑒別作用磁場的極性。
當(dāng)外加磁場Hy與薄膜平面平行,并與電流流向成θ角時,其電阻R（θ）將隨角度θ的變化而變化,并同時出現(xiàn)各向異性的變化。其輸出表達式為：
V（θ）=1/2(ΔR/R0)Vincosθ??? (1)
其中：ΔR=R11-RL
R0=1/2(R11+RL)
ΔR/R0為各向異性效應(yīng)的磁電阻比,它是由材料本身所決定的。由公式（1）可知,薄膜磁阻元件具有倍頻功能的特性,并且還能用來檢測外加磁場的方向。
又因為：R（θ）A+R（θ）B=R(θ)C+R(θ)D=R11+RL??? （2）
所以無論作用于薄膜磁阻平面的磁場方向如何改變,其橋式電路的總阻值總是保持不變,因而具有達100MHz的較寬頻帶。
由于薄膜磁阻元件的弱磁場下的靈敏度很高,因而易受外界磁場干擾,尤其是強磁場的干擾。這些干擾將使磁阻工作特性改變。因此,為增強磁阻元件工作特性的穩(wěn)定性,改善線性度和擴大器件的線性測量范圍。KMZ10系列薄膜磁阻元件由于采用了內(nèi)置的偏置磁場技術(shù),因而可以保證磁阻器件的穩(wěn)定性,但同時的一定程度上降低了磁阻元件的靈敏度。KMZ10薄膜磁敏電阻元件的靈敏度與輔助偏置磁場（Hy）的關(guān)系曲線如圖2所示。
3 特性
KMZ10系列薄膜磁敏電阻元件所具有的主要特性如下：
●的弱磁場下,具有較高的靈敏度;
●方向性強,當(dāng)外加磁場平行于薄膜平面時,器件的靈敏度大;而當(dāng)外加磁場垂直于薄膜平面時,器件的靈敏度最小且不敏感;利用這一特性可檢測外加磁場的大小和方向;
●具有飽和特性,磁阻元件的阻值隨外加磁場強度的增大而增加,當(dāng)外加磁場達到一定的值時,KMZ210薄膜磁敏電阻元件的阻值不再增加而達到飽和。利用該特性可以檢測磁場方位,因而可用于GPS導(dǎo)航等系統(tǒng);
●內(nèi)置偏置磁場極大地提高了磁阻元件的抗干擾能力和磁阻特性的穩(wěn)定性,擴大了磁阻元件線性檢測范圍;
●KMZ210系列磁阻元器具有較高的工作頻率特性和倍頻特性;
●具有較寬的工作溫度范圍和穩(wěn)定的工作溫度性能。
4 技術(shù)參數(shù)
KMZ10系列薄膜磁阻元件的技術(shù)參數(shù)如表1所列。
表1 KMZ10系列磁敏電阻元件技術(shù)參數(shù)
| KMZ10A | KMZ10B | KMZ10C | |
| 工作電源 | 5V | 5V | 5V |
| 橋阻 | 0.8～1.6kΩ | 1.6kΩ～2.6kΩ | 1kΩ～1.8kΩ |
| 磁場范圍Hy | ±0.5kA/m | ±2kA/m | ±7.5kA/m |
| 靈敏度S | 16mV/V/kA/m | 4mV/V/kA/m | 1.5mV/V/kA/m |
| 內(nèi)置輔偏磁場Hx | 0.5kA/m | 3kA/m | 3kA/m |
| 失調(diào)（最大） | ±1.5mV/V | ±1.5mV/V | ±1.5mV/V |
| 輸出溫度系數(shù)（恒壓） | -0.4%/K | -0.4%/K | -0.4%/K |
| 輸出溫度系數(shù)（恒流） | -0.15%/K | -0.15%/K | -0.15%/K |
| 橋阻溫度系數(shù) | -0.25%/K | -0.25%/K | -0.25%/k |
| 工作頻寬 | 0～1MHz | 0～1MHz | 0～1MHz |
| 工作溫度 | -40℃～+150℃ | 40℃～+150℃ | 40℃～+150℃ |
| 封裝 | SOT195 | SOT195 | SOT195 |
5 應(yīng)用
KMZ10系列薄膜磁敏電阻元件可廣泛用于磁性編碼、磁阻電流傳感器和磁阻接近開關(guān)等電路。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：
●可制成不同規(guī)格的磁阻電流傳感器：具體規(guī)格有1A、2A、5A、10A、20A等,該磁阻電流傳感器的電流輸入端和信號輸出端絕緣,無任何電的聯(lián)系,且具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、溫度特性好、價格低廉等特點;
●可制成磁阻齒輪傳感器和接近開關(guān)。該器件具有優(yōu)良溫度特性,特別適用于環(huán)境條件比較苛刻（如汽車發(fā)動機的高溫和低溫）等環(huán)境;
●可制成無接觸電位器;
●可制成磁性編碼器;
●可制作磁性墨水文字圖形識別傳感器以完成墨水文字及圖形和識別。
6 結(jié)束語
薄膜磁阻元件KMZ10系列是一種結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計獨特的磁性傳感器,它與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體霍爾元件和InSb磁敏電阻元件相比,具有靈敏度高、溫度特性好等優(yōu)點,其應(yīng)用開發(fā)潛力巨大,應(yīng)用領(lǐng)域很廣,相信隨著生產(chǎn)力和科技水平的提高,以磁敏電阻作核心敏感元件的傳感器必將不斷涌現(xiàn),以滿足各行業(yè)自動化程度越來越高的需要。