磁敏材料与磁传感器

磁敏材料与新型磁传感器磁传感器：对磁参量敏感的器件或装置，具有把磁学量转换为电信号的功能。磁场参量主要包括磁场强度、磁感强度、磁通、磁矩、磁化强度、磁导率等。磁敏传感器的种类：质子旋进式、光泵式、超导量子干涉器(SQUID)式、磁通门式、感应式磁敏器件、半导体器件(霍耳、磁敏二极管、磁敏晶体管、磁敏电阻)、机械式等。1.概述以磁性材料为主体，磁敏器件把磁场强度转换成电压、电阻等电量，与相应检测技术结合构成不同传感器从10-14T~25T以上的强磁场，都有可用的相应器件。磁传感器在1970～80年代形成发展高潮，1990年代进入成熟和完善期。发展中的新型磁传感技术得益于如下方面：①IC技术的应用应用IC技术，已开发出磁敏电阻电路、巨磁阻电路等多种功能性的集成磁敏器件。②InSb薄膜技术开发成功使霍尔元件产量大增，成本大幅下降.③强磁性合金薄膜在与薄膜表面平行的磁场作用下，以坡莫合金为代表的强磁性合金薄膜的电阻率呈现出2％～5％的变化。1.概述1.概述④巨磁电阻多层膜由不同金属、不同层数和层间材料的不同组合，可制成不同机制的巨磁电阻磁敏器件。它们呈现出随磁场变化的电阻率，比单层的各向异性磁敏电阻器的变化要高出若干倍。⑤采用各种不同成分和比例的非晶合金材料及各种工艺用非晶合金的高导磁率特性和可制成细丝的机械特性，取代坡莫合金芯用于磁通门等器件，其性能得到很大改善。⑥Ⅲ—V族半导体异质结构材料用这种材料制作霍尔元件，其灵敏度在296K时达22.5V/T；灵敏度的温度系数也有大改善，用恒流驱动时为-0.0084％/K。1.概述每年所需的磁传感器数以十亿计，主要应用方面如下:(1)电机：转速、转矩、电流(2)电力电子技术：监测、控制和保护大功率器件的各种电流传感器(3)能源管理：自动监控系统的各控制环节都可利用以磁传感器为基础的电流传感器、互感器等来实施。(4)磁信息读写(5)汽车工业：电机、ABS(防抱制动系统)、点火定时用的速度传感器及点火器。(6)工业自动化、机器人、办公自动化、家电及各种安全系统等2.磁性材料及其效应1.半导体材料的霍耳效应（略）2.非磁体的磁电阻效应在通电流的非磁金属或半导体上加磁场时，其电阻值变化。此现象称磁致电阻变化效应或洛仑兹(Lorentz)磁电阻效应，简称磁电阻(MR)效应。产生原因：磁场改变载流子的漂移路径，使得与外加电场同向的电流分量减小，等价于电阻增大。通常，以磁场引起的电阻率相对变化度量磁(电)阻效应。物理磁阻效应：弱磁场中材料电阻率随磁场增大的效应几何磁阻效应：磁电阻效应与样品形状有关，不同几何形状的样品，在相同强度磁场作用下，其电阻不同。这种只由半导体形状引起的磁阻效应称几何磁电阻效应。2.磁性材料及其效应3.各向异性磁电阻效应具有高磁导率的金属称强磁性金属，如Ni-Fe,Ni-Co基合金。强磁场中其电阻率随磁场增强而减小，称强磁阻效应。在弱磁场中，当磁场强度大于某值时，强磁性金属的电阻率与磁场强度无关，只与磁场和电流间的方向角有关，磁阻呈各向异性，此现象称为定向（或各向异性）磁阻（AMR）效应，也即与外磁场方向平行的强磁性金属磁敏电阻的电流方向的电阻率ρ//和与外磁场方向垂直的电流方向的电阻率ρ⊥发生变化的效应。AMR效应源自各向异性的散射。强磁性磁阻器件主要利用AMR效应。2.磁性材料及其效应4.巨磁电阻(GMR)效应于1988年在Fe/Cr多层膜中被发现。最初是(100)GaAs基片上用分子束外延(MBE)生长的单晶(100)Fe/Cr/Fe三层膜和Fe/Cr超晶格薄膜，发现在4.2K低温时Cr层厚度为0.9nm的膜中，加磁感应强度为20kx79.578A/m)的外场使相邻Fe层的磁矩平行排列，相对不加外场时相邻Fe层磁矩反平行排列的情况，电阻值下降一半，即磁阻变化了50％。这一结果远远超过多层膜中Fe层磁阻效应(MR)的总和，故命名为巨磁电阻效应。类似效应：庞磁电阻(CMR)效应、巨磁阻抗(GMI)效应2.磁性材料及其效应5.磁弹性效应和磁致伸缩某些铁磁物质在外力作用下，其内部产生机械应力引起磁导率改变，此现象称磁弹性效应（例如压磁效应）。相反，某些铁磁物质在外磁场作用下会变形，有些伸长，有些压缩，这种现象称磁致伸缩。当材料受拉时，在受力方向上磁导率增高、在与作用力垂直的方向上磁导率降低的现象称为正磁致伸缩。与此相反，某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而垂直方向上磁导率增高，这种现象称逆磁致伸缩。6.非晶态合金（另外章节详细介绍）这是一类新型电磁功能材料，它不仅有独特的微观结构和优良的宏观性能，且有丰富的敏感功能和物理效应3.磁敏元件和磁传感器3.1强磁性金属薄膜磁敏电阻及传感器1）磁敏电阻工作原理基于强磁材料的磁致伸缩效应制成。利用真空镀膜或溅射技术在氧化铝、二氧化硅等绝缘基片上形成Ni-Co合金等强磁体金属薄膜；再刻蚀成如下图形。该图形的膜置于磁场作用下，当磁场方向与图形金属条平行时，金属条呈正磁致伸缩效应，其阻值R||增大；磁场方向与金属条垂直时，金属条呈负磁致伸缩效应，其阻值R⊥减小；当磁场方向与图形金属条夹角呈45度角时，则金属条无磁致伸缩效应，其阻值无变化；R||和R⊥阻值变化量大小相等、方向相反。当磁场方垂直于图形平面时，其阻值不变。强磁性金属薄膜磁敏电阻刻蚀图当无磁信号或磁信号的磁场方向与金属条成45°角时，强磁性金属膜的磁敏电阻RA＝RB＝RO，RA与RB电阻条相互垂直。其阻值变化与磁场强度H变化的关系曲线如图示。该曲线分三部分：第一部分为零至Hr段，为不可逆段，即H↑、R||↑、R⊥↑与H↓、R||↓、R⊥↓是不可逆的，这是磁滞所致。Hr称可逆磁场强度，约为1mT；第二部分为Hr至Hs段，该段是线性很好的一段；第三部分为Hs后段，为饱和段。在该段其阻值不随磁场强度变化而变化，Hs称为饱和磁场强度。Hs因材料和工艺条件不同而异。RA、RB阻值与磁场强度H的关系曲线2）磁敏电阻的特性对磁场强度敏感：在弱磁场下有较高灵敏度。从上图可知这种元件对磁场强度敏感。当信号磁场在元件饱和磁场强度以下、电源电压为6VDC时，场强灵敏度可达1mV/mT。方向性强：强磁性金属膜MR在弱磁场下无洛伦兹力和霍尔效应信号磁场垂直于元件图形平面时对元件无作用，有磁屏蔽作用；信号磁场方向平行元件图形平面，并与元件金属条及电流方向夹角为零度(即R||)时，元件阻值变为最大，角度为90(即R⊥)时，元件阻值变为最小；为45时不变，有RA＝RB＝RO。元件在信号磁场作用下阻值变化量为R＝R||(在饱和磁场下)；阻值变化率即元件灵敏度，为R/R＝4％～6％，R与元件的材料及制作工艺条件有关。元件的等效电路如图所示。磁场方向与金属条夹角为任意角度时有：UB()=Ucc/2–cos(2)UccR/(4R0)B点输出电压变化量为：UB()=-cos(2)UccR/(4R0)可见，当元件和电源电压选定后，R/R0与Ucc均为常数，UB()的变化只与角度变化有关。Ucc＝6V时，灵敏度为1～3mV/度。UB()与角度变化关系曲线如右图所示。峰值Upp在90～270mV，精度为1％FS，在Upp的80％处精度为0.5％，在Upp的20％处为0.1％，分辨率为0.001°。在饱和磁场情况下，磁体与元件的距离在0～20mm范围内，输出电压不受距离变化的影响。等效电路U0与H关系曲线图饱和特性：元件阻值随外加磁场强度增大而增加，当信号磁场强度大于元件饱和磁场强度时，信号磁场强度的变化对元件无作用，这时元件对磁场强度有限幅作用。利用该特性可检测磁场方向变化，如GPS导航系统、地磁场角度变化等。倍频特性：从输出式和波形图可知，元件对旋转磁信号有2倍频作用，输入一个脉冲磁信号，输出2个脉冲磁信号。对转体材料，可提高精度50％。温度特性：全电阻温度系数：2.6×10-3％；输出电压温度系数：2.6×10-4％；工作温度范围宽：模拟量为-20～100℃，开关量为-40～200℃；温度系数线性好，易于补偿。其它特性：频率响应高，工作频率范围为0～10MHz。抗冲击振动，环境适应能力强。元件本身在信号磁场作用下，可随意使其阻值增大或减小，可使灵敏度提高一倍。应用：已用于磁敏无触点开关、转速、流量、液位传感器、汽车点火器、角位移传感器、线位移传感器等。例1：NiFe-NiCo合金薄膜磁阻元件及电流传感器NiFe-NiCo合金Barber结构桥式电路磁阻元件有灵敏度高、工作频率特性好、温度稳定性好、结构简单、体积小等特点，可制成高密度磁阻磁头、磁性编码器、磁阻位移传感器、磁阻电流传感器等。1）结构和工作原理利用薄膜工艺和微细加工技术，将NiFe-NiCo合金用真空镀膜或溅射工艺制作在硅片或铁氧体基片上，通过微细加工技术制成一定形状的磁阻图形，形成三端式、四端式以及多端式器件。将各向异性磁阻效应完全相同的薄膜磁阻条A、B、C、D按下图所的方式连接成Barber(理发店招牌）结构的桥式电路。磁阻元件结构示意图和等效电路图由于电阻变化为对称曲线，在45°附近存在一个线性区。在元件制作时，使AMR薄膜中的电流以45方向流动，如图所示(惠斯通电桥中的4个AMR电阻)。在薄膜宽度方向上制备低电阻材料层实现薄膜之间的电路，利用电流趋向于最短路径通过AMR薄膜的特性，控制电流以45角流过薄膜条。AMR元件的“理发店招牌式偏置”AMR磁阻变化率与角度之间的关系当外磁场H与薄膜平面平行，并与电流流向成角时，其电阻R()将随变化，出现各向异性变化，各磁阻条A、B、C、D的电阻为R()A＝R()C＝R||sin2(+45)+R⊥cos2(+45)R()B＝R()D＝R||sin2(+135)+R⊥cos2(+135)=R||cos2(+45)+R⊥sin2(+45)R()A+R()B＝R()D+R()C＝R||+R⊥,,所以桥式电路输出端表达式为U()=0.5(R／R0)Uicos2其中：R＝R||-R⊥，R0＝(R||+R⊥)/2。R/R0为各向异性磁阻比，由材料本身所决定。可知，不管作用于薄膜平面内的磁场方向如何改变，磁阻条A和B、C和D连接成的总阻值保持不变，从而有较宽频带，达100MHz。为保证无外加磁场时薄膜桥式磁阻输出信号为零，可采用激光修正附加电阻元件的方法，如下左图所示。为改善器件的工作稳定性、线性度，扩大磁敏器件磁场检测范围,可采用磁偏置技术，但一定程度上降低了器件的灵敏度，如图所示。磁阻元件的结构元件在磁偏条件下的工作特性曲线特点说明高灵敏度低电阻工作温度高工作频带宽金属薄膜技术对机械应力不敏感小尺寸允许其工作距离较大对电干扰不灵敏可在150℃连续工作，175℃峰值工作从直流到几兆赫长时间工作稳定性好可在较恶劣的环境下工作可做到微米尺寸，有利于集成化主要应用领域说明交通控制低成本导航远距离金属目标探测运动检测器电流检测磁场测量直流电流测量角度或位置测量标记测量与计数磁记录探测交通工具精度约为1°的简单指南针系统，适合机动应用通过测在地磁场作用的扰动探测金属目标，如军用机车测量位置相对于地磁场的变化如地漏电开关，范围从10A/m到10kA/m；马达启动电流感应加速脚踏板和活塞位置，工业自动系统的位置传感，力／加速度／压力测量等；汽车ABS系统车轮传感器，转速计数器，流量计等；磁头，磁卡MR磁敏器件的特点和应用领域4.巨磁电阻效应及传感器1）巨磁阻（GMR）效应一般磁阻材料的ΔR/R最大约6％，巨磁阻材料引起的ΔR/R可达50％以上。一般的磁阻现象是洛伦兹力作用的结果(运动载流子在电流方向发生偏转，使阻抗增加）。巨磁阻效应基于磁介质材料中的电子流动方式。这类材料中，螺旋运动方向与主磁场方向(磁矩)相反的电子所受散射作用比运动方向和主磁场相同的电子大得多。已发现，将某些磁性材料(如铁和钴)与薄的非磁材料(如铬、铜、银)按精确厚度层叠，会制成连续的“反铁磁”耦合，即相邻磁性层间的磁化方向相反。典型情况为纳米级磁层和非磁层交互层叠，如15层Co(3nm