磁敏传感器原理 磁敏电阻工作原理及应用

磁敏电阻工作原理及应用

磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。磁敏电阻通常用锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs）等对磁具有敏感性的半导体材料制成。半导体材料的磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应，其中物理磁阻效应又称为磁电阻率效应。

当外加磁场的方向或强度发生变化时，磁敏电阻的阻值相应改变［2］，利用该变化，可精确地测试出磁场的相对位移。例如，在一个长方形半导体InSb片中，沿长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体InSb片长度方向上就会发生电阻率增大的现象。

1、磁阻效应原理；

2、磁检测灵敏度高；

3、输出信号幅值大；

4、抗电磁干扰能力强；

5、分辨力高。

磁敏电阻器的主要参数

1）磁阻比：指在某一规定的磁感应强度下，磁敏电阻器的阻值与零磁感应强度下的阻值之比。

2）磁阻系数：指在某一规定的磁感应强度下，磁敏电阻器的阻值与其标称阻值之比。

3）磁阻灵敏度：指在某一规定的磁感应强度下，磁敏电阻器的电阻值随磁感应强度的相对变化率。

磁敏电阻工作原理

磁敏材料

磁敏材料能通过磁阻效应将磁信号转换成电信号。磁阻效应包括材料的电阻率随磁场而变化和元件电阻值随磁场而变化两种现象。前者称磁电阻率效应或物理磁阻效应，后者称为磁电阻效应或几何磁阻效应。

磁敏电阻材料主要是电子迁移率大的半导体材料，还有铁镍钴合金。常用的半导体有InSb（或InSb-NiSb共晶材料）、砷化铟（InAs）和砷化镓（GaAs）等材料，一般用N型。

高纯度InSb和InAs的电子迁移率分别为5.6～6.5m/（V·s）和2.0～2.5m/（V·s）。InSb的禁带宽度小，受温度影响大。GaAs的禁带宽度大，电子迁移率也相当大［0.8m/（V·s）］，受温度影响小，且灵敏度也高。

镍钴合金和镍铁合金的电阻温度系数小，性能稳定，灵敏度高，且具有方向性，可制作强磁性磁阻器件，用于磁阻的检测等方面。

用半导体材料制作的磁敏电阻器、无触点电位器、模拟运算器和磁传感器等应用于测量、计算机、无线电和自动控制等方面。半导体InSb-NiSb磁敏电阻器用于磁场、电流、位移和功率测量及模拟运算器等方面，其阻值为10Ω～1kΩ，相对灵敏度6～18（B=1T），温度系数-2.9%～0.09%（1/℃）（B=1T），极限工作频率1～10MHz。在测量小于0.01T的弱磁场时，必须附加以偏置磁场才能进行。

Ni-Co薄膜磁敏电阻器主要用于探测磁场方向、磁带位置检测、测量和控制转速或速度以及无触点开关等方面。阻值有1、10、250kΩ，相对灵敏度2%以上（3&TImes;10T下），温度系数3000±500&TImes;10（1/℃），感应磁场3&TImes;10T以上，工作温度-55～150℃。在检测磁场反转或可逆磁场以下的磁信号时，也应采用偏置磁场。

结构及原理

1.、半导体磁敏电阻

通常半导体磁敏电阻是由基片、半导体电阻条（内含短路条）和引线三个主要部分组成的。基片又叫衬底，一般是用0.1~0.5mm厚的云母、玻璃作成的薄片，也有使用陶瓷或经氧化处理过的硅片作基片的。电阻条一般是用锑化锢（InSb）或砷化铟（InAs）等半导体材料制成的半导体磁敏电阻条，在制造过程中，为了提高磁敏电阻的阻值，缩小其体积、提高灵敏度常把它作成如图1所示的结构。

图1 半导体磁敏电阻构造

半导体材料的电阻率ρ随外磁场强度变化而变化的现象叫作半导体的物理磁阻效应或叫作磁阻率效应。这是由于在外施磁场的作用下，流经半导体磁敏电阻的载流子受洛仑兹力的作用使其流动路径发生偏斜，从而造成它从一个电极流到另一个电极所流过的途经（即载流子运动的轨迹）要比无磁场作用时所通过的途经要长，故其电阻值增大。我们把载流子在磁场作用下的平均偏斜角度θ叫作平均霍尔角。它与外施磁场及载流有如下关系：

式中

为电子迁移率；B为外施磁场的磁感应强度。从式（1）可以看出：半导体磁敏电阻材料的载流子迁移率越大，其偏斜的平均霍尔角就越大，电阻的变化就越大。这种电阻的变化和磁场强度的关系大致可以认为：在弱磁场的作用下，半导体磁敏电阻的相对变化率R/R0与所施磁场的磁感应强度B的平方成正比；而在强磁场的作用下，半导体磁敏电阻的相对变化率ΔR/R0则与所施磁场的磁感应强度B成正比。

2、磁性金属薄膜磁敏电阻

强磁性金属薄膜磁敏电阻器件的结构如图2所示，和半导体磁敏电阻一样，它也是由基片、强磁性金属薄膜的电阻体和内外引线三部分组成的。基片一般是用厚为0.1~0.5mm的玻璃片、高频陶瓷片或经氧化处理的硅片制成；电阻体通常是采用半导体平面工艺中的真空镀膜（或溅射）、光刻、腐蚀工艺而制成的;内引线是用硅铝丝或金丝采用超声压焊或金丝球焊而焊接的，外引线是用非磁性的铜片等材料焊接的。

图2 强磁性金属薄膜磁敏电阻构造

磁敏电阻电路符号

下图为磁敏电阻在电路中的图形符号，用大写的R表示电阻，用字母M表示其阻值与磁性相关。

下图所示是3根引脚磁敏电阻的等效电路，两根引脚之间加有5V直流工作电压，另一根引脚输出信号。

磁敏电阻的应用

1．作控制元件

可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等等。

2．作计量元件

可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。

3．作模拟元件

可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。

4．作运算器

可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。

5．作开关电路

可应用在在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。

6．作磁敏传感器

用磁敏电阻作核心元件的各种磁敏传感器，其工作原理都是相同的，只是根据用途、结构不同而种类各异。主要有：

①测磁传感器。如新型磁通表，测定恒定磁场及交变磁场或电机电器等剩磁的仪器，用于航海、航空的导航仪器。

②转速传感器。如构成新型的数字式转速表、频率计等。

③位移和角位移传感器。微位移传感器是工业用机器人的基本器件。

④铁磁物质探伤用的传感器。

⑤可变电阻器、无接触电位器以及无触点、高性能的磁开关（作定位及控制用）。

磁敏电阻和电子元件配合可以构成振荡器、乘法器、函数发生器、调制器、交直流变换器和倍频器等，还可用来鉴别磁性油墨印的纸币和票证的真伪。

磁敏电阻应用电路

下图所示是磁敏电阻应用电路，电路中，R1和R2是磁敏电阻，A1为电压比较器。

电路中，R3和R4构成分压电路，其输出电压通过电阻R6加到A1的2脚，作为基准电压。当磁场发生改变时，磁敏电阻R1和R2分压电路输出电压大小发生变化，这一变化的电压通过电阻R5加到A1的1脚，这样A1的输出端3脚电压大小也随之做相应的改变，这一变化信号经C1耦合后得到输出信号U。

磁敏电阻工作原理及特性

什么是磁敏电阻

磁敏电阻是一种对磁敏感、具有磁阻效应的电阻元件。物质在磁场中电阻发生变化的现象称为磁阻效应。磁敏电阻通常用锑化铟（InSb）或砷化铟（InAs）等对磁具有敏感性的半导体材料制成。半导体材料的磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应，其中物理磁阻效应又称为磁电阻率效应。

当外加磁场的方向或强度发生变化时，磁敏电阻的阻值相应改变［2］，利用该变化，可精确地测试出磁场的相对位移。例如，在一个长方形半导体InSb片中，沿长度方向有电流通过时，若在垂直于电流片的宽度方向上施加一个磁场，半导体InSb片长度方向上就会发生电阻率增大的现象。

磁敏电阻器的特点

1、磁阻效应原理；

2、磁检测灵敏度高；

3、输出信号幅值大；

4、抗电磁干扰能力强；

5、分辨力高。

磁敏电阻器的主要参数

1）磁阻比：指在某一规定的磁感应强度下，磁敏电阻器的阻值与零磁感应强度下的阻值之比。

2）磁阻系数：指在某一规定的磁感应强度下，磁敏电阻器的阻值与其标称阻值之比。

3）磁阻灵敏度：指在某一规定的磁感应强度下，磁敏电阻器的电阻值随磁感应强度的相对变化率。

磁敏电阻工作原理

磁敏材料

磁敏材料能通过磁阻效应将磁信号转换成电信号。磁阻效应包括材料的电阻率随磁场而变化和元件电阻值随磁场而变化两种现象。前者称磁电阻率效应或物理磁阻效应，后者称为磁电阻效应或几何磁阻效应。

磁敏电阻材料主要是电子迁移率大的半导体材料，还有铁镍钴合金。常用的半导体有InSb（或InSb-NiSb共晶材料）、砷化铟（InAs）和砷化镓（GaAs）等材料，一般用N型。

高纯度InSb和InAs的电子迁移率分别为5.6～6.5m/（V·s）和2.0～2.5m/（V·s）。InSb的禁带宽度小，受温度影响大。GaAs的禁带宽度大，电子迁移率也相当大［0.8m/（V·s）］，受温度影响小，且灵敏度也高。

镍钴合金和镍铁合金的电阻温度系数小，性能稳定，灵敏度高，且具有方向性，可制作强磁性磁阻器件，用于磁阻的检测等方面。

用半导体材料制作的磁敏电阻器、无触点电位器、模拟运算器和磁传感器等应用于测量、计算机、无线电和自动控制等方面。半导体InSb-NiSb磁敏电阻器用于磁场、电流、位移和功率测量及模拟运算器等方面，其阻值为10Ω～1kΩ，相对灵敏度6～18（B=1T），温度系数-2.9%～0.09%（1/℃）（B=1T），极限工作频率1～10MHz。在测量小于0.01T的弱磁场时，必须附加以偏置磁场才能进行。

Ni-Co薄膜磁敏电阻器主要用于探测磁场方向、磁带位置检测、测量和控制转速或速度以及无触点开关等方面。阻值有1、10、250kΩ，相对灵敏度2%以上（3&TImes;10T下），温度系数3000±500&TImes;10（1/℃），感应磁场3&TImes;10T以上，工作温度-55～150℃。在检测磁场反转或可逆磁场以下的磁信号时，也应采用偏置磁场。

结构及原理

1.、半导体磁敏电阻

通常半导体磁敏电阻是由基片、半导体电阻条（内含短路条）和引线三个主要部分组成的。基片又叫衬底，一般是用0.1~0.5mm厚的云母、玻璃作成的薄片，也有使用陶瓷或经氧化处理过的硅片作基片的。电阻条一般是用锑化锢（InSb）或砷化铟（InAs）等半导体材料制成的半导体磁敏电阻条，在制造过程中，为了提高磁敏电阻的阻值，缩小其体积、提高灵敏度常把它作成如图1所示的结构。

图1 半导体磁敏电阻构造

半导体材料的电阻率ρ随外磁场强度变化而变化的现象叫作半导体的物理磁阻效应或叫作磁阻率效应。这是由于在外施磁场的作用下，流经半导体磁敏电阻的载流子受洛仑兹力的作用使其流动路径发生偏斜，从而造成它从一个电极流到另一个电极所流过的途经（即载流子运动的轨迹）要比无磁场作用时所通过的途经要长，故其电阻值增大。我们把载流子在磁场作用下的平均偏斜角度θ叫作平均霍尔角。它与外施磁场及载流有如下关系：

式μc中为电子迁移率；B为外施磁场的磁感应强度。从式（1）可以看出：半导体磁敏电阻材料的载流子迁移率越大，其偏斜的平均霍尔角就越大，电阻的变化就越大。这种电阻的变化和磁场强度的关系大致可以认为：在弱磁场的作用下，半导体磁敏电阻的相对变化率R/R0与所施磁场的磁感应强度B的平方成正比；而在强磁场的作用下，半导体磁敏电阻的相对变化率ΔR/R0则与所施磁场的磁感应强度B成正比。

2、磁性金属薄膜磁敏电阻

强磁性金属薄膜磁敏电阻器件的结构如图2所示，和半导体磁敏电阻一样，它也是由基片、强磁性金属薄膜的电阻体和内外引线三部分组成的。基片一般是用厚为0.1~0.5mm的玻璃片、高频陶瓷片或经氧化处理的硅片制成；电阻体通常是采用半导体平面工艺中的真空镀膜（或溅射）、光刻、腐蚀工艺而制成的；内引线是用硅铝丝或金丝采用超声压焊或金丝球焊而焊接的，外引线是用非磁性的铜片等材料焊接的。

图2 强磁性金属薄膜磁敏电阻构造

磁敏电阻电路符号

下图为磁敏电阻在电路中的图形符号，用大写的R表示电阻，用字母M表示其阻值与磁性相关。

下图所示是3根引脚磁敏电阻的等效电路，两根引脚之间加有5V直流工作电压，另一根引脚输出信号。

磁敏电阻的应用

1.作控制元件

可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等等。

2.作计量元件

可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。

3.作模拟元件

可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。

4.作运算器

可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。

5.作开关电路

可应用在在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。

6.作磁敏传感器

用磁敏电阻作核心元件的各种磁敏传感器，其工作原理都是相同的，只是根据用途、结构不同而种类各异。主要有：

①测磁传感器。如新型磁通表，测定恒定磁场及交变磁场或电机电器等剩磁的仪器，用于航海、航空的导航仪器。

②转速传感器。如构成新型的数字式转速表、频率计等。

③位移和角位移传感器。微位移传感器是工业用机器人的基本器件。

④铁磁物质探伤用的传感器。

⑤可变电阻器、无接触电位器以及无触点、高性能的磁开关（作定位及控制用）。

磁敏电阻和电子元件配合可以构成振荡器、乘法器、函数发生器、调制器、交直流变换器和倍频器等，还可用来鉴别磁性油墨印的纸币和票证的真伪。

磁敏电阻应用电路

下图所示是磁敏电阻应用电路，电路中，R1和R2是磁敏电阻，A1为电压比较器。

电路中，R3和R4构成分压电路，其输出电压通过电阻R6加到A1的2脚，作为基准电压。当磁场发生改变时，磁敏电阻R1和R2分压电路输出电压大小发生变化，这一变化的电压通过电阻R5加到A1的1脚，这样A1的输出端3脚电压大小也随之做相应的改变，这一变化信号经C1耦合后得到输出信号U。

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