磁敏電阻

磁敏電阻是一種基於磁阻效應而製作的電阻體。它在外施磁場的作用下(包括外施磁場的強度及方向的變化)能夠改變自身的阻值，是一種新穎的傳感元件。它可分為半導體磁敏及強磁性金屬薄膜磁敏電阻兩大類。 ^[1] 

磁場作用在導體上的各種物理效應（霍爾效應、磁阻效應）早在1879～1883年間在金屬中就發現了，但因效應不顯著，長期以來未得到廣泛應用。半導體出現後，在20世紀50年代後半期開發了高遷移率的新型化合物半導體材料，如銻化銦(InSb)等，也促進了霍耳器件和磁阻器件的研究、開發和應用。 ^[2] 

半導體磁敏電阻的研製始於6 0年代初，在這方面聯邦德國西門子公司較為權威，繼而是日本、美國、蘇聯、西歐等國。在60年代中期即有商品銷售，因其和普通電阻一樣，具有兩個端子、結構簡單、靈敏度高、安裝方便等優點，其應用較為普遍。

強磁性金屬薄膜磁敏電阻是用強磁性合金材料製成的一種薄膜型的磁敏電陰器件，其作用原理是強磁性體的磁阻效應，它和半導體磁敏電阻不同，除對磁場的強度敏感（和半導體磁敏電阻相同點）外，對磁場的方向也十分敏感（和半導體磁敏電阻不同點）。由於薄膜不是半導體材料而是強磁性體合金，因此具有較小的温度係數，且性能較為穩定、靈敏度高，現已商品化和實用化。

強磁性金屬薄膜磁敏電阻是日本索尼公司於70年代初開發的一種磁敏器件，它在問世後十幾年的時間中，發展十分迅速。可以用它構成許多新型磁敏傳感器用於測量微位移、角度、轉速、流量、壓力等。 ^[1] 

磁敏材料能通過磁阻效應將磁信號轉換成電信號。磁阻效應包括材料的電阻率隨磁場而變化和元件電阻值隨磁場而變化兩種現象。前者稱磁電阻率效應或物理磁阻效應，後者稱為磁電阻效應或幾何磁阻效應。 ^[2] 

磁敏電阻材料主要是電子遷移率大的半導體材料，還有鐵鎳鈷合金。常用的半導體有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5.6～6.5 m/(V·s)和2.0～2.5m/(V·s)。InSb的禁帶寬度小，受温度影響大。GaAs的禁帶寬度大，電子遷移率也相當大[0.8 m/(V·s)]，受温度影響小，且靈敏度也高。

鎳鈷合金和鎳鐵合金的電阻温度係數小，性能穩定，靈敏度高，且具有方向性，可製作強磁性磁阻器件，用於磁阻的檢測等方面。

用半導體材料製作的磁敏電阻器、無觸點電位器、模擬運算器和磁傳感器等應用於測量、計算機、無線電和自動控制等方面。半導體InSb-NiSb磁敏電阻器用於磁場、電流、位移和功率測量及模擬運算器等方面，其阻值為10Ω～1kΩ，相對靈敏度6～18 (B=1 T)，温度係數-2.9%～0.09% (1/℃) (B=1 T)，極限工作頻率1～10 MHz。在測量小於0.01T的弱磁場時，必須附加以偏置磁場才能進行。

Ni-Co薄膜磁敏電阻器主要用於探測磁場方向、磁帶位置檢測、測量和控制轉速或速度以及無觸點開關等方面。阻值有1、10、250kΩ，相對靈敏度2%以上(3×10T下)，温度係數3000±500×10(1/℃)，感應磁場3×10T以上，工作温度-55～150℃。在檢測磁場反轉或可逆磁場以下的磁信號時，也應採用偏置磁場。 ^[2] 

通常半導體磁敏電阻是由基片、半導體電阻條(內含短路條)和引線三個主要部分組成的。基片又叫襯底，一般是用0.1~ 0.5mm厚的雲母、玻璃作成的薄片，也有使用陶瓷或經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)等半導體材料製成的半導體磁敏電阻條，在製造過程中，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所示的結構。

半導體材料的電阻率 ρ 隨外磁場強度變化而變化的現象叫作半導體的物理磁阻效應或叫作磁阻率效應。這是由於在外施磁場的作用下，流經半導體磁敏電阻的載流子受洛侖茲力的作用使其流動路徑發生偏斜，從而造成它從一個電極流到另一個電極所流過的途經(即載流子運動的軌跡)要比無磁場作用時所通過的途經要長，故其電阻值增大。我們把載流子在磁場作用下的平均偏斜角度 θ 叫作平均霍爾角。它與外施磁場及載流有如下關係：

式中

為電子遷移率； B為外施磁場的磁感應強度。從式(1 )可以看出：半導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強度的關係大致可以認為：在弱磁場的作用下，半導體磁敏電阻的相對變化率R/R₀與所施磁場的磁感應強度B的平方成正比；而在強磁場的作用下，半導體磁敏電阻的相對變化率ΔR/ R₀則與所施磁場的磁感應強度B成正比。

強磁性金屬薄膜磁敏電阻器件的結構如圖2所示，和半導體磁敏電阻一樣，它也是由基片、強磁性金屬薄膜的電阻體和內外引線三部分組成的。基片一般是用厚為0.1~ 0.5mm的玻璃片、高頻陶瓷片或經氧化處理的硅片製成；電阻體通常是採用半導體平面工藝中的真空鍍膜(或濺射)、光刻、腐蝕工藝而製成的;內引線是用硅鋁絲或金絲採用超聲壓焊或金絲球焊而焊接的，外引線是用非磁性的銅片等材料焊接的。

1）磁阻比：指在某一規定的磁感應強度下，磁敏電阻器的阻值與零磁感應強度下的阻值之比。

2）磁阻係數：指在某一規定的磁感應強度下，磁敏電阻器的阻值與其標稱阻值之比。

3）磁阻靈敏度：指在某一規定的磁感應強度下，磁敏電阻器的電阻值隨磁感應強度的相對變化率。

幾何磁阻效應是指半導體材料磁阻效應，與半導磁敏電阻的用途頗廣，這裏將簡要介紹以下應用。

可將磁敏電阻用於交流變換器、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。

可將磁敏電阻用於磁場強度測量、位移測量、頻率測量和功率因數測量等諸多方面。

可在非線性模擬、平方模擬、立方模擬、三次代數式模擬和負阻抗模擬等方面使用。

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。

可應用在在接近開關、磁卡文字識別和磁電編碼器等方面。

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，只是根據用途、結構不同而種類各異。主要有：

① 測磁傳感器。如新型磁通表，測定恆定磁場 及交變磁場或電機電器等剩磁的儀器，用於航海、 航空的導航儀器。

② 轉速傳感器。如構成新型 的數字式轉速錶、頻率計等。

③ 位移和角位移傳感器。微位移傳感器是工業用機器人的基本器件。

④ 鐵磁物質探傷用的傳感器。

⑤ 可變電阻器、無接觸電位器以及無觸點、高性能的磁開關(作定位及控制用)。

磁敏電阻和電子元件配合可以構成振盪器、乘法器、函數發生器、調製器、 交直流變換器和倍頻器等，還可用來鑑別磁性 油墨印的紙幣和票證的真偽。 ^[3]