物理实验第21卷第10期 锑化铟磁阻传感器特性测量及应用研究 吴扬娄捷’陆申龙 (复旦大学物理系上海20043) 摘要介绍了不同实验条件下,锑化铟磁阻器件电阻与所加直流磁感应强度的关系,并对其曲线进行了拟合 与讨论,通过施加低频交流磁场的方法,得到了磁阻器件在小于0.06T弱磁场范围内对电磁信号的倍频效应 关键词磁电阻效应锑化铟磁阻器件,倍频 Character istics and applica tions of the hn sb magnetic resistance sen sor WU Yang LOU J ie LU Shen-long (D epartm ent of phy sics, Fudan U niversity, Shanghai, 200433) Abstract The m agne to resistance effect of the InSb sen sor is m easured under different experm ental condit ions, the derived results are fitted and discussed The sen sor's frequency doubling effect on electrom agnetic signal is given under certa in cond it ons Key words m agne to resistance effect; InSb m agnet ic resistance sen sor, frequency doubling 随磁场的变化关系,并对其应用提出了一些看 法和建议 磁阻器件具有灵敏度高、抗干扰能力强等 优点,在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿 2原理 等领域应用十分广泛,例如在数字式罗盘、交通 定条件下,导电材料的电阻值R随磁感 车辆检测、导航系统、伪钞鉴别位置测量中作应强度B的变化规律称为磁电阻效应 探测器用磁阻器件品种较多,可分为正常磁电 在该情况下半导体内的载流子将受洛伦兹 阻、各向异性磁电阻、特大磁电阻、巨磁电阻和力的作用,发生偏转,在两端产生积聚电荷并产 隧道磁电阻等.其中正常磁电阻的应用十分普生霍尔电场·如果霍尔电场作用和某一速度的 遍锑化铟传感器是一种价格低廉,灵敏度高的载流子受到的洛伦兹力作用刚好抵消,那么小 正常磁电阻,有着十分重要的应用价值它可用于或大于该速度的载流子将发生偏转·因此沿 于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传外加电场方向运动的载流子数目将减少,电阻 感器 增大,表现出横向磁电阻效应·如图1所示,如 本文在直流与交流磁场条件下分别对锑化果将A,B端短接,则霍尔电场将不存在,所有 铟器件的磁电阻效应进行了研究,采取了多种电子将向A端偏转,也表现出磁电阻效应 不同的实验条件和方法加以测量,得出了磁阻 设磁阻器件在零磁场时电阻及电阻率分别 物理系99级理科基地班学生 c1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
3 物理系 99 级理科基地班学生 锑化铟磁阻传感器特性测量及应用研究 吴 扬3 娄 捷3 陆申龙 (复旦大学物理系 上海 200433) 摘 要: 介绍了不同实验条件下, 锑化铟磁阻器件电阻与所加直流磁感应强度的关系, 并对其曲线进行了拟合 与讨论Ζ 通过施加低频交流磁场的方法, 得到了磁阻器件在小于 0106T 弱磁场范围内对电磁信号的倍频效应 1 关键词: 磁电阻效应; 锑化铟磁阻器件; 倍频 Character istics and application s of the InSb magnetic resistance sen sor W U Yang3 LOU J ie3 LU Shen2long (D epartm en t of Physics, Fudan U n iversity, Shanghai, 200433) Abstract: T he m agneto resistance effect of the InSb sen so r is m easu red under differen t experim en tal condition s, the derived resu lts are fitted and discu ssed. T he sen so r’s frequency doub ling effect on electrom agnetic signal is given under certain condition s. Key words: m agneto resistance effect; InSb m agnetic resistance sen so r; frequency doub ling 1 引 言 磁阻器件具有灵敏度高、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, 例如在数字式罗盘、交通 车辆检测、导航系统、伪钞鉴别、位置测量中作 探测器用Ζ磁阻器件品种较多, 可分为正常磁电 阻、各向异性磁电阻、特大磁电阻、巨磁电阻和 隧道磁电阻等Ζ 其中正常磁电阻的应用十分普 遍Ζ锑化铟传感器是一种价格低廉, 灵敏度高的 正常磁电阻, 有着十分重要的应用价值Ζ它可用 于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传 感器Ζ 本文在直流与交流磁场条件下分别对锑化 铟器件的磁电阻效应进行了研究, 采取了多种 不同的实验条件和方法加以测量, 得出了磁阻 随磁场的变化关系, 并对其应用提出了一些看 法和建议Ζ 2 原 理 一定条件下, 导电材料的电阻值 R 随磁感 应强度B 的变化规律称为磁电阻效应Ζ 在该情况下半导体内的载流子将受洛伦兹 力的作用, 发生偏转, 在两端产生积聚电荷并产 生霍尔电场Ζ 如果霍尔电场作用和某一速度的 载流子受到的洛伦兹力作用刚好抵消, 那么小 于或大于该速度的载流子将发生偏转Ζ 因此沿 外加电场方向运动的载流子数目将减少, 电阻 增大, 表现出横向磁电阻效应Ζ 如图 1 所示, 如 果将A , B 端短接, 则霍尔电场将不存在, 所有 电子将向A 端偏转, 也表现出磁电阻效应Ζ 设磁阻器件在零磁场时电阻及电阻率分别 64 物理实验 第 21 卷 第 10 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第21卷第10 为R(0),p(0);磁场为B时电阻及电阻率分别的驱动电压或电流以达到恒压或恒流的目的值 得说明的是磁阻器件的A,B端可以断路也可以 短路,电源可加恒压源或恒流源,一共可得到四 D端 组不同条件下的△R/R(0)曲线,以下简称为恒 压断路、恒压短路、恒流断路、恒流短路 端 图1磁阻器件 为R(B),p(B)通常以电阻率的相对改变量 △P∥p(0)表示磁阻,△P=P(B)-p(0),而 △R/(0)△p/P(0),其中△R=R(B)-R(0) 图2测量磁电阻效应装置图 通过理论计算和实验都证明了磁场较弱 测量交流弱磁场下磁电阻效应装置如图3 时,一般正常磁阻器件的△R/(0)正比于B2,所示·交流磁场用XJ161信号源产生,电压用 而强磁场中ARAR(0)则为B的一次函数 Y252双踪示波器测量 当半导体材料处于弱交流磁场中时, R(0)正比于B2,所以R也随时间周期变 化,进而引起R上分压的相应变化 不妨设电流恒定为10,令B=Boos, △R/(0)=AB2(其中k为常量),于是有 R(B)=R(0)+AR= R(0)+R(0)×AB 图3测量交流弱磁场下磁电阻效应装置图 R(0)+ R(OkB ocos ur= 4实验结果 R(O)+ R(O)KB & + R(O)kB co s2ar 4.1AR/R(0)曲线 V(B)=IoR(B)=Io R(O)+R(O)kB 3+ 通过调节励磁电流产生不同磁场,并调节 R满足特定条件(恒定电压或恒定电流),分别 IoR(OkB oco sar 读出1,U和B·以恒压电源供电(=0.4V) V(0)+ Cosar (1)磁阻器件A,B两端断路为例,磁阻△R/R(0) 由(1)式可知磁阻上的分压为B振荡频率两倍与磁感应强度关系的数据如表1所示 表1△RAR(0)与B的关系 的交流电压和一直流电压的叠加 1.091.07.os1.020.970.950.9089 3实验装置 o16253414651s8 367374|381392[412|421430|49 测量磁电阻效应装置如图2所示直流磁场 )0.00o,02o,040,070.120,15o,170.22 860.830.800.760.710.660,62 是用电磁铁产生的通过滑线变阻器调节励磁电_BmT98s85252|321406 流,从而改变磁感应强度·用量程为V的电压 /146548250052656606645 表测量磁阻电压,通过滑线变阻器R调节磁阻 ar/r(o)0.270.31l0.360.430.540.60.76 o1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
为 R (0) , Θ(0); 磁场为B 时电阻及电阻率分别 图 1 磁阻器件 为 R (B ) , Θ(B ) Ζ通常以电阻率的相对改变量 ∃ΘöΘ( 0 ) 表 示 磁 阻, ∃Θ= Θ(B ) - Θ(0) , 而 ∃R öR (0)∝ ∃ΘöΘ(0) , 其中 ∃R = R (B ) - R (0) Ζ 通过理论计算和实验都证明了磁场较弱 时, 一般正常磁阻器件的 ∃R öR (0) 正比于B 2 , 而强磁场中 ∃R öR (0) 则为B 的一次函数Ζ 当 半 导 体 材 料 处 于 弱 交 流 磁 场 中 时, ∃R öR (0) 正比于B 2 , 所以 R 也随时间周期变 化, 进而引起 R 上分压的相应变化Ζ 不妨设电流恒定为 I 0, 令 B = B 0co sΞt, ∃R öR (0) = kB 2 (其中 k 为常量) , 于是有 R (B ) = R (0) + ∃R = R (0) + R (0) × ∃R R (0) = R (0) + R (0) kB 2 0co s 2Ξt = R (0) + 1 2 R (0) kB 2 0 + 1 2 R (0) kB 2 0co s2Ξt V (B ) = I 0R (B ) = I 0 R (0) + 1 2 R (0) kB 2 0 + 1 2 I 0R (0) kB 2 0co s2Ξt = V (0) + V co s2Ξt (1) 由(1) 式可知磁阻上的分压为B 振荡频率两倍 的交流电压和一直流电压的叠加Ζ 3 实验装置 测量磁电阻效应装置如图2 所示Ζ直流磁场 是用电磁铁产生的, 通过滑线变阻器调节励磁电 流, 从而改变磁感应强度Ζ 用量程为 2V 的电压 表测量磁阻电压Ζ 通过滑线变阻器R 调节磁阻 的驱动电压或电流以达到恒压或恒流的目的Ζ值 得说明的是磁阻器件的A ,B 端可以断路也可以 短路, 电源可加恒压源或恒流源, 一共可得到四 组不同条件下的 ∃R öR (0) 曲线, 以下简称为恒 压断路、恒压短路、恒流断路、恒流短路Ζ 图 2 测量磁电阻效应装置图 测量交流弱磁场下磁电阻效应装置如图 3 所示Ζ 交流磁场用XJ 1631 信号源产生, 电压用 Y252 双踪示波器测量Ζ 图 3 测量交流弱磁场下磁电阻效应装置图 4 实验结果 411 ∃R öR (0) 曲线 通过调节励磁电流产生不同磁场, 并调节 R 满足特定条件(恒定电压或恒定电流) , 分别 读出 I,U 和B Ζ 以恒压电源供电(U = 014V ) , 磁阻器件A , B 两端断路为例, 磁阻 ∃R öR (0) 与磁感应强度关系的数据如表 1 所示Ζ 表 1 ∃R öR (0) 与B 的关系 IömA 1109 1107 1105 1102 0197 0195 0193 0189 B öm T 0 16 25 34 46 51 58 67 R ö8 367 374 381 392 412 421 430 449 ∃R öR (0) 0100 0102 0104 0107 0112 0115 0117 0122 IömA 0186 0183 0180 0176 0171 0166 0162 B öm T 79 98 125 185 252 327 406 R ö8 465 482 500 526 563 606 645 ∃R öR (0) 0127 0131 0136 0143 0154 0165 0176 物理实验 第 21 卷 第 10 期 74 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第21卷第10期 根据该组及其它三组数据作图,如图4所 示 是 电磁铁分压 图5磁阻上的分压与电磁铁上的分压的利萨如图 5结束语 B/T 图4ARA(0)与B的关系曲线 1)以上实验验证了锑化铟磁阻器件在B0.06T时A/R(0)与B的二次函数关系,以及 0.12T时对ARR(0)作多项式拟合结果如表2B>0.12T时AR/(O)与B的一次函数关系 所示 如果要使磁阻器件工作在线性范围内,应使其 表2拟合结果 工作在大于0.12T较强磁场下.这种现象不仅 B<0.06T 出现在锑化铟磁阻器件中,而且其它正常磁阻 恒压断路 器件也有类似性质 恒压短路65.2582+0.517B r2=0.9993 2)磁阻在交流磁场下对正弦信号的倍频效 恒流短 57.69B4+0.626B 应可以形象直观地说明在小于0.06T磁场时 恒流断路 41.36B-+0.385B =0.9992 该器件磁阻的特性,这一特性非常类似于光学 0.12T 恒压断路1,4578+0.169=0.8 二阶非线性效应,而该效应在光学领域中的应 恒压短路 r2=0.9993 用也相当广泛,可以相信磁阻器件的倍频效应 1.692B+0.253 也将得到许多应用 恒流断路 1.408B+0.143 0.9989 3)与锑化铟器件有类似性质的4个玻莫合 注:表中B以T为单位 金器件组成的非平衡电桥磁阻传感器加放大器 由此得出恒压磁电阻效应比恒流磁电阻效已将磁阻器件集成化,并通过附加场的补偿作 应略大一些,且考虑到R(0)在恒压源驱动下温用使测量区域处于线性区,可以更方便地应用 度系数较小,所以锑化铟磁阻器件一般用恒压于工业医疗、探矿和军事等领域中 源做电源.短接A,B后,磁电阻效应最大,比 4)磁阻器件在国外的研究和使用也十分普 A,B不短接时增大了30% 遍,所以笔者认为以上实验不仅提供了一种简 综上所述,为了提高器件的灵敏度与稳定单易行的研究磁阻器件的实验方法,并可在国 性,实际使用时锑化铟磁阻器件应采用恒压短内学生物理教学实验中加以推广 路模式工作,且线性传感器应在大于0.12T较 强磁场下工作 6参考文献 4.2当磁感应强度较小时的倍频效应 1 Seeger K半导体物理学,北京人民教育出版社, 当加在磁阻上的磁场频率为10~200Hz (高频时,产生的磁场很弱)且|Bk0.06T时,2黄得星等,磁敏感器件及其应用(半导体敏感器件 可以得到磁阻上的分压与电磁铁上的分压的利 及应用丛书).北京:科学出版社,1987 萨如图形如图5所示 3 Honeywell公司·固态传感器产品说明书.199.45 由此可得,在交流弱磁场下,磁阻器件对电 磁场信号有倍频效应 (2001-05-14收稿) C1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd. All rights reserved
根据该组及其它三组数据作图, 如图 4 所 示Ζ 图 4 ∃R öR (0) 与B 的关系曲线 对 4 组曲线分别在 B 0112T 时对 ∃R öR (0) 作多项式拟合结果如表 2 所示Ζ 表 2 拟合结果 B 0112T 恒压断路 11457B + 01169 r 2 = 019985 恒压短路 11800B + 01240 r 2 = 019993 恒流短路 11692B + 01253 r 2 = 019982 恒流断路 11408B + 01143 r 2 = 019989 注: 表中B 以 T 为单位Ζ 由此得出恒压磁电阻效应比恒流磁电阻效 应略大一些, 且考虑到 R (0) 在恒压源驱动下温 度系数较小, 所以锑化铟磁阻器件一般用恒压 源做电源Ζ 短接A , B 后, 磁电阻效应最大, 比 A ,B 不短接时增大了 30% Ζ 综上所述, 为了提高器件的灵敏度与稳定 性, 实际使用时锑化铟磁阻器件应采用恒压短 路模式工作, 且线性传感器应在大于 0112T 较 强磁场下工作Ζ 412 当磁感应强度较小时的倍频效应 当加在磁阻上的磁场频率为 10～ 200H z (高频时, 产生的磁场很弱) 且ûB û 0112T 时 ∃R öR (0) 与B 的一次函数关系Ζ 如果要使磁阻器件工作在线性范围内, 应使其 工作在大于 0112T 较强磁场下Ζ 这种现象不仅 出现在锑化铟磁阻器件中, 而且其它正常磁阻 器件也有类似性质Ζ 2) 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在小于 0106T 磁场时 该器件磁阻的特性, 这一特性非常类似于光学 二阶非线性效应, 而该效应在光学领域中的应 用也相当广泛, 可以相信磁阻器件的倍频效应 也将得到许多应用Ζ 3) 与锑化铟器件有类似性质的 4 个玻莫合 金器件组成的非平衡电桥磁阻传感器加放大器 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, 可以更方便地应用 于工业、医疗、探矿和军事等领域中Ζ 4) 磁阻器件在国外的研究和使用也十分普 遍, 所以笔者认为以上实验不仅提供了一种简 单易行的研究磁阻器件的实验方法, 并可在国 内学生物理教学实验中加以推广Ζ 6 参考文献 1 Seeger K. 半导体物理学Λ 北京: 人民教育出版社, 1980 2 黄得星等Λ 磁敏感器件及其应用(半导体敏感器件 及应用丛书) Λ 北京: 科学出版社, 1987 3 Honeyw ell 公司Λ固态传感器产品说明书Λ1999145 ～ 50 (2001205214 收稿) 84 物理实验 第 21 卷 第 10 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved