MR傳感器13級 待用

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?，F(xiàn)象”中，電阻率隨著磁化強度而變化，不依賴于磁場的方向，且對溫度極為敏感，在居里點附近電阻率發(fā)生急劇變化。有人認為其電阻率的變化率正比于總磁化強度的平方I2和某一起始值之差，這個起始值與自發(fā)磁化強度的平方成正比，所以一、鐵磁體中的磁電阻效應(yīng)第二類“反?，F(xiàn)象”叫做磁電阻各向異性效應(yīng)，是thomson在1857年發(fā)現(xiàn)的。這個效應(yīng)依賴于鐵磁體中電流密度J與磁化強度I的相對取向。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)磁化強度在晶體內(nèi)的取向和鐵磁體內(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)。磁性物理學內(nèi)容自發(fā)磁化、技術(shù)磁化、應(yīng)用磁學

我們首先考查Ni0.9942C0.0058合金。下圖表明了磁化強度M平行或垂直于電流I的縱向磁電阻率ρ11和橫向磁電阻率ρ⊥。樣品磁化飽和以后，如果磁場增加至數(shù)千Oe，ρ//和ρ⊥等量地均勻減小，ρ//（H）和ρ⊥（H）所呈現(xiàn)的變化規(guī)律幾乎完全一樣。HS⊥R0NiFe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)，從磁化機制而言，屬于磁疇磁化矢量的轉(zhuǎn)動過程。為了研究Δρ/ρ0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Δρ/ρ0隨合金成份的變化規(guī)律。下圖表示了獲得最大Δρ/ρ0的合金成份。對于NiFe合金，當x=0.9時，所得到的Δρ/ρ0為5%，而NixCo(1-x)合金。當x=0.8時，Δρ/ρ0的最大值為6%。

關(guān)于磁電阻效應(yīng)的機理，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)實驗中所發(fā)現(xiàn)的一些規(guī)律來設(shè)計的。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3~4%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，兩式具有相同的形式，只是一個用電阻值表示，而另一個則用電阻率表示。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度的磁場作用于薄膜電阻平面，使元件磁化飽和。將磁場的角度的原點取在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）的單個電阻值，也就是R（）在一周內(nèi)的平均值。即

直流與交流給定激勵電壓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-70Co3.4090Ni-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-6Mn2.4898Ni-2Al2.4095Ni-5Zn2.60+-E-eB電場強度E

半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)磁感應(yīng)強度Bz羅倫茲力靜電力這種MR元件和霍爾效應(yīng)元件相比具有如下獨特優(yōu)點:

1、可靠性高，使用合金材料，物理、化學性能穩(wěn)定。2、溫度特性好，當器件溫度從-20℃～+150℃變化時，其電阻值呈線性變化，總電阻的溫度系數(shù)為+3.0×10-3/℃細分3、倍頻特性。信號磁場旋轉(zhuǎn)一周，能夠得到兩個周期變化的正弦波輸出電壓。如圖所示，這一倍頻特性對于提高靈敏度是有利的。4、靈敏的方向性。下圖所示是外場方向與MR元件平面所呈不同夾角時的輸出特性。當外場垂直于薄膜平面時，其輸出為零。因此，在使用這種傳感器時，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相垂直，就能避免外界磁場的干擾。平行于MR元件面內(nèi)的磁場5、寬的頻帶響應(yīng)。MR元件的頻響特性如圖所示。輸出信號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。以輸出在10MHz以內(nèi)保持不變的頻率特性來說，幾乎所有位置，轉(zhuǎn)速檢測都能使用這類傳感器。輸出頻率10MHZ06、小的飽和磁場。差動電橋直流分量兩種輸出形式如圖所示，四個電阻單元RA、RB、RC、RD互相垂直，組成一個電橋。若在A、B而端加一直流電壓V，磁場方向和基準方向成角時，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)符號數(shù)值單位全阻值1.4KΩ電源電壓DC12V輸出電壓270mV飽和磁場強度HS50Oc消耗功率103mV溫度系數(shù)（恒流源）-0.05%/℃頻率響應(yīng)0~10MHz平直日本Sony公司的SDE-DM型三端元件三、傳感器的設(shè)計

MR元件的設(shè)計主要包括薄膜材料選擇，元件幾何尺寸，幾何圖形的計算，基片材料的選擇以及有關(guān)保護膜材料的選擇等。MR元件設(shè)計的原則一是要根據(jù)使用的要求，使設(shè)計出的元件能滿足使用提出的各項指標。二是要根據(jù)實際的加工能力,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)計程序和在設(shè)計過程中應(yīng)注意的有關(guān)問題。線條寬度薄膜厚度全電阻2R0=1.4±0.1KΩ輸出信號Vpp=140mV電源電壓V=12V（一）薄膜材料的選擇

NiCo技術(shù)指標薄膜與塊狀(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25m（五）、電阻條總長及圖形的設(shè)計ρ=1.5×10-6Ωcm2R0=1.4KΩR0=0.7KΩNi—Co合金的電阻率

由于可算得n及每條長度

條數(shù)為n，每條長為,長和寬相等，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光刻膠負型光刻膠光照射聚合反應(yīng)分解反應(yīng)可溶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VV0RARBVV0RARBVV0RR（一）.恒壓源供電時電橋的輸出US（二）.恒流源供時電橋的輸出I0I0I03、電橋輸出電路恒壓源供電電路如圖所示據(jù)以前的分析有當沒有溫度影響或不考慮溫度影響時，固態(tài)壓阻式傳感器US電橋的兩個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）外加偏置磁場由于MR元件的倍頻特性，外場方向的變化和輸出之間不存在一一對應(yīng)的關(guān)系，若磁場方向變化180°，而MR元件的輸出電壓卻變化了360°。MR元件的倍頻特性對于作轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用時，可以提高測量靈敏度，但在檢測信號的反轉(zhuǎn)時，MR元件不能單獨使用。采用偏磁場的方法可以解決這個問題，下面簡單介紹一下外加偏磁場的方法。如何獲得開關(guān)特性NSNSHX-HXHBHXHBHtNS-HXHBHt（四）能辨判旋轉(zhuǎn)方向的MR元件被測量基本屬性：大小、方向大小：輸出電量的幅值方向：辨向電路辨向電路：要求輸入兩路相位相差90°的信號整形放大微分反相微分延時整形放大整形放大觸發(fā)器可逆計數(shù)器Y1Y2+12●ABCDABCD具有兩路輸出，相位相差90°的MR元件VV0RARB2003級馬韜同學友情提供RDRBRARC21341RARBRCRD324對這種具有辨向功能的四端MR元件的使用需要注意的是，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的交點處，該電路就不具有辨向功能了，這一點必須充分注意。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，輸出電壓始終為一無直流分量的倍頻信號電壓。RDRBRARC2134U2U4USRARDRBRC六、傳感器的應(yīng)用MR元件主要是依據(jù)對磁場的方向敏感即信號磁場方向的改變，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)磁場方向變化MR效應(yīng)電量輸出●1.測轉(zhuǎn)速MR元件測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的裝置如所示。將磁體固定在旋轉(zhuǎn)體上，并使MR元件的平面平行于磁場方向。當旋轉(zhuǎn)體時，磁體隨著轉(zhuǎn)動。即磁場方向隨著旋轉(zhuǎn)體不斷的發(fā)生改變。當旋轉(zhuǎn)體一周，由于MR元件的倍頻特性，輸出信號變化二周，經(jīng)放大，整形產(chǎn)生兩個電壓脈沖。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)速測量系統(tǒng)。根據(jù)上述原理可以把機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元件直接測量與水量成正比的葉輪軸轉(zhuǎn)速，計算流量。

磁旋轉(zhuǎn)編碼器2.測量角位移3.測量線位移450工作場偏置場合成場合成場4.測量液位高度MR元件小磁體利用MR元件測量液位高度的原理如圖所示?；瑝K的位置對應(yīng)著液位的高度，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)動軸上固定有一磁體，滑塊的上下運動帶動磁體旋轉(zhuǎn)，即磁場方向不斷變化。設(shè)液面在A位置時磁場的方向和MR元件夾角為，當液面升至B點時滑塊和連接桿由圖中的實線狀態(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、測壓力測量壓力過程？●6.精密位移、角度傳感器我們知道，利用MR元件測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動情況時，由于MR元件的倍頻特性，當旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)半周，通過放大，整形后便有一個脈沖輸出。利用這種方法測量旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)情況，測量分辨率為半周。若將旋轉(zhuǎn)磁體改用多極磁體，設(shè)旋轉(zhuǎn)磁體的磁極對數(shù)為n,那么,旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)一周,將有2n個脈沖輸出,這時測量的分辨率為1/2n周.下圖示出了一個旋轉(zhuǎn)磁極對數(shù)為4的旋轉(zhuǎn)體測試示意圖，當旋轉(zhuǎn)1/8周時，輸出端便有一個脈沖信號。由此我們可以看出，單位長度內(nèi)磁極對數(shù)越多，則測量精度越高。多極充磁

一種具有辨向功能的精密角位移MR傳感器如圖所示。8個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,同時輸出幅值為四元件的二倍。NSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4A1A3A4A2B1B3B3B2ViV01V02NSSNSNSSSNNN線條寬度薄膜厚度NSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4A1A3A4A2B1B3B4B2ViV01V02NSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4NSSNSNSSSNNNNSSNNNA1B2B4B3B1A3A2A4W很小A1A4A3A2B1B4B3B2ViV01V02NSSNSNSSSNNNRDRBRARC2134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，所以說密集磁信號的錄制是不成問題的。下面分析一種具有辨向