薄膜磁敏電阻元件KMZ10

1 緒論

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(shí)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(chǎng)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(qiáng)、體積小和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?？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(wú)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(guò)程中的電阻值將沿磁化方向隨外加磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增大，并達(dá)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(xì)加工技術(shù)，將Ni-Fe合金用真空蒸鍍或?yàn)R射工藝沉積到硅片上，再通過(guò)微細(xì)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(zhǎng)度比寬度大得多，且形狀各向異性，從而使得磁化強(qiáng)度沿著磁阻條長(zhǎng)度的取向，這使得電流流向與磁阻條長(zhǎng)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(chǎng)下的靈敏度，改進(jìn)了磁阻特性，擴(kuò)大了線性區(qū)，并且可以鑒別作用磁場(chǎng)的極性。

當(dāng)外加磁場(chǎng)Hy與薄膜平面平行，并與電流流向成θ角時(shí)，其電阻R（θ）將隨角度θ的變化而變化，并同時(shí)出現(xiàn)各向異性的變化。其輸出表達(dá)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(lái)檢測(cè)外加磁場(chǎng)的方向。

又因?yàn)椋篟（θ）A+R（θ）B=R(θ)C+R(θ)D=R11+RL （2）

所以無(wú)論作用于薄膜磁阻平面的磁場(chǎng)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(dá)100MHz的較寬頻帶。

由于薄膜磁阻元件的弱磁場(chǎng)下的靈敏度很高，因而易受外界磁場(chǎng)干擾，尤其是強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾。這些干擾將使磁阻工作特性改變。因此，為增強(qiáng)磁阻元件工作特性的穩(wěn)定性，改善線性度和擴(kuò)大器件的線性測(cè)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(chǎng)技術(shù)，因而可以保證磁阻器件的穩(wěn)定性，但同時(shí)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(chǎng)（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(chǎng)下，具有較高的靈敏度；

●方向性強(qiáng)，當(dāng)外加磁場(chǎng)平行于薄膜平面時(shí)，器件的靈敏度大；而當(dāng)外加磁場(chǎng)垂直于薄膜平面時(shí)，器件的靈敏度最小且不敏感；利用這一特性可檢測(cè)外加磁場(chǎng)的大小和方向；

●具有飽和特性，磁阻元件的阻值隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增加，當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到一定的值時(shí)，KMZ210薄膜磁敏電阻元件的阻值不再增加而達(dá)到飽和。利用該特性可以檢測(cè)磁場(chǎng)方位，因而可用于GPS導(dǎo)航等系統(tǒng)；

●內(nèi)置偏置磁場(chǎng)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(kuò)大了磁阻元件線性檢測(cè)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)

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(hào)輸出端絕緣，無(wú)任何電的聯(lián)系，且具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、溫度特性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)；

●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(dòng)機(jī)的高溫和低溫）等環(huán)境；

●可制成無(wú)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(shí)別傳感器以完成墨水文字及圖形和識(shí)別。

6 結(jié)束語(yǔ)

薄膜磁阻元件KMZ10系列是一種結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)獨(dú)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(diǎn)，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(dòng)化程度越來(lái)越高的需要。