8实验八锑化铟磁电阻传感器的磁阻特性测量和应用

实验八 锑化铟磁阻特性测量

磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等，其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁电阻，有着十分重要的应用价值。本实验装置结构简单、实验内容丰富，使用两种材料的传感器：利用砷化镓（GaAs）霍尔传感器测量磁感应强度，研究锑化铟（InSb）磁阻传感器的电阻随磁感应强度的变化情况。 一、实验目的

1 、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度变化的关系。 2 、作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。

3 、对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行曲线和直线拟合。 二、实验仪器

FD-MR-Ⅱ型磁阻效应实验仪（直流双路恒流电源、 0~2V 直流数字电压表、电磁铁、数字式毫特仪、锑化铟磁阻传感器、电磁铁及双向单刀开关等）、示波器、电阻箱、正弦交流低频发生器及导线若干。 三、实验原理

在一定条件下，载流导体或半导体的电阻值 R 随磁感应强度 B 变化的规律称为磁阻效

应。如图 43-1 所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场，如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大出现横向磁阻效应。如果将图43-1中的 a 端和 b 端短路，磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用 /(0)表示。其中(0)为零磁场时的电阻率，设磁阻在磁感应强度为B的磁场作用下的电阻率为

(B)，则 (B)(0)。由于磁阻传感器电阻的相对变化率 △R/R(0)正比于/(0)，这里△R = R(B)－R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量△R/R(0)来表示磁阻效应的大小。测量磁阻电阻值R与磁感应强度 B 的关系所用实验装置及线路如图 43-2 所示。

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图43-1 磁阻效应

实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，磁阻传感器电阻相对变化率△R/R(0)正比于磁感应强度B的二次方，而在强磁场中△R/R(0)与磁感应强度B呈线性函数关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。

如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量 △R/R(0)正比于B2，那么磁阻传感器的电阻 R 将随角频率 2ω作周期性变化。

图 43-2 测量磁电阻实验装置

若外界交流磁场的磁感应强度 B为：

B=B0cosωt (43-1)

(43-1)式中，B0为磁感应强度的振幅，为角频率，t为时间。

设在弱磁场中

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ΔR/R(0)=KB (43-2)

2

(43-2)式中， K为常量。由（43-1）式和（43-2）式可得

R(B)R(0)DRR(0)R(0)[R/R(0)]

R(0)R(0)KB02cos2tR(0)11R(0)KB02R(0)KB02cos2t22 (43-3)

(43-3) 式中，R(0)112R(0)KB02为不随时间变化的电阻值， 而R(0)kB0cos2t为以角22频率2ω作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生

倍

频交流电阻阻值变化。

以锑化铟为例，磁阻在交流磁场下对正弦信号的倍频效应可以形象直观地说明磁场在小于0.06T时，该磁阻器件的特性非常类似于光学二阶非线性效应。与锑化铟器件有类似性质的由四只薄膜合金器件组成的非平衡电桥磁阻传感器已将磁阻器件集成化，并通过附加场的补偿作用使测量区域处于线性区域，更方便地应用于工业、医疗、探矿和军事等领域中。 四、实验内容及步骤

1．在锑化铟磁阻传感器电流或电压保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的变化关系，作△R/R(0）与 B 的关系曲线，并进行曲线拟合。实验时注意 GaAs 和 InSb 传感器工作电流应小于 3mA。具体实验步骤如下：

（1）直流励磁恒流源与电磁铁输入端相连，通过调节该直流恒流电源控制电位器改变输入电磁铁电流大小，从而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。

（2）按图 43-2 所示将锑化铟磁阻传感器与电阻箱串联，并与可调直流电源相接，数字电压表的一端连接磁阻传感器电阻箱公共接点，另一端与单刀双向开关的刀口处相连。

（3）确定通过锑化铟磁阻传感器的工作电流。

（4）通过电磁铁的直流电流逐渐由小增加，读出磁感应强度 B。通过测量锑化铟磁阻

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传感器两端的电压值。以求得锑化铟磁阻传感器的电阻 R，作出 R与B的关系图。

注：由上述实验数据和曲线得出锑化铟磁阻器件在 B <0.06T 时，△R/R(0)为二次函数。B > 0.12T 时，△R / R (0)为 B 的一次函数，如果要使磁阻器件工作在线性范围内，应使其工作在大于 0.12T强的磁场下，其他的正常磁阻器件也有类似的特性。

2．如图 43-3 所示，将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接；锑化铟磁阻传感器通以 2.5mA 直流电，用示波器测量磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压构成的李萨如图形如43-4所示，证明在弱正弦交流磁场情况下，磁阻传感器的阻值具有交流正弦倍频特性。

图 43-3 磁阻传感器倍频效应原理图

图 43-4 李萨如图形

五、思考题

1． 什么叫做磁阻效应？霍尔传感器为何有磁阻效应？

2． 锑化铟磁阻传感器在弱磁场时和强磁场时的电阻值与磁感应强度关系有何不同？这两种特性有什么应用？

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附录一 实验数据处理参考

1. 取样电阻 R= 300Ω 电压 U=300mV。 2. 求出电流I=U300==1.00mA。 R300表 43-1

电磁铁 IM(mA) 0 9.9 19 29 38 47 56 66 94 141 188 236 284 332 381 430 479 InSb UR(mV) 395.1 396.1 400.5 406.8 415.0 425.1 436.3 449.0 491.5 552.1 590.3 623.9 655.6 688.3 722.5 758.0 793.5 B (mT) 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0 B~ΔR/R(0)对应关系 R (Ω) 395.1 396.1 400.5 406.8 415 425.1 436.3 449 491.5 552.1 590.3 623.9 655.6 688.3 722.5 758.0 793.5 ΔR/R(0) 0 0.003 0.014 0.030 0.050 0.076 0.104 0.134 0.244 0.397 0.494 0.580 0.659 0.742 0.829 0.919 1.008 3. 对表43-1数据在B0.06T时，对ΔR/R（0）作曲线拟合见表43-2，拟合得

R/R(0)37.51B2 (43-4)

可知，在B<0.06T时，磁阻变化率R/R(0)与磁感应强度B成二次函数关系。 表 43-2 R/R(0)i Bi R/R(0)iBi (R/R(0)i)2 Bi2 ..专业知识编辑整理..

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0.002531 0.0136674 0.0296127 0.0503669 0.0761326 0.1042773 0.2740569

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.21 0.0002531 0.0002733 0.0008883 0.0020146 0.0038066 0.0062566 0.0133 0.0000064 0.0001867 0.0008769 0.0025368 0.0057961 0.0108737 0.02028 0.0001 0.0004 0.0009 0.0016 0.0025 0.0036 0.0091 4. 对表 43-1 数据在 B>0.12T 时对 △R/R(0）作曲线拟合见表 43-3 ，拟合得

R/R(0)1.72B0.14 (43-5)

可知，在 B>0.12时磁阻变化率△R/R(0)与磁感应强度 B 成一次函数关系。整体磁阻变化率△R/R(0)与磁感应强度B的关系曲线如图43-5所示。

表 43-3

R/R(0)i 0.3973 0.494 0.5799 0.6593 0.74209 0.8286 0.9185 1.0083 0.2740569

Bi 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 2.6 R/R(0)iBi (R/R(0)i)2 Bi2 0.05956 0.0988 0.1447734 0.19779 0.25973 0.33144 0.413325 0.50514 2.0095684 0.157847 0.244036 0.3353497 0.4346764 0.5506975 0.6865779 0.8436422 1.0166688 4.2694955 0.0225 0.04 0.0625 0.09 0.1225 0.1 6 0.2025 0.25 0.95

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图 43-5 △R/R 与 B 的关系曲线

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