（光学专业论文）基于半导体薄膜型磁阻元件电流开关的研究.pdf

j 、 7 1 5 8 8 7 摘要 传感器技术是现代信息技术的关键组成之一。传感器是采集对象与信息系统 的接口，足系统感知、获取与检测信息的南r l 。碰传感器是传感器系列q 的一个 重要分支。本文所研究的半导体薄膜型磁阻式电流丌关( m a g n e l o r e s i s t i v ec u r r e n t s w i t c h 简称m r c s ) 是针对 频电流信号的检测应用的一类传感器，它可以把j 频电流信号转换成电脉冲信号( 即数宁逻辑电平) ，_ 起到开关作片j 。 本文首先介绍了肪舫磁敏效应的基本原理，在此基础上对m r c s 传感器的电 路组成原理进行了分析。亓从传感器的信号处理电路、比较电路单元和驱动电路 单元三个方血进行了具体分析。重点设计了一种新型的信号处理电路。它是在 传统的阻窑耦合放大电路设计的基础r ，改进了通频带，使频率范罔确定存4 7 5 3 h z 之间。改进的选频网络使得奉传感器能够实现在对工频信号的检测时，抑 制非l 颇信号，防止电流开关误动作。在比较器电路单元设计方面，实现了分别 榆测讵、负半刷的脉冲个数的功能。此外，还设训了单片机应用系统，实现对数 字式电流传感器输出脉冲个数的计数，使系统文现检测统计外* k 脉冲数。这两 方面的电路没计，最终实现了工频信号的真伪鉴别功能。是后，对m r c s 电路 的| 生能进行r 测试。 l 、测试两组m r c s 样品，当工频交变电流从4 0 m a 增大到l0 0 m a ，第一组输 出电压由1 5 v 近似呈线性增大到35 v ；第一二组输山电压由l8 v 近似呈线 性增大到4 5 v 。表明其线性度优良。 2 、设计的滤波电路中心频率为4 9h z ，两个截止频率4 6 5h z 和5 2 7h z 确定了通频带宽为6 2 h z ，基本e 能够达到t i4 7 5 3h z 的_ t 频信号通过的效果， 3 、设计的比较电路单元形成计数脉冲。它在0 1 秒的时间段内输出的脉冲 个数为1 0 个，即信号的频率为1 0 0 h z 。 关键词：锑化馏( 加曲) 磁敏电阻电流传感器信号处理电路荦片机应 用系统计数器 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fs e n s o r si so n eo fc r u c i a l c o m p o n e n t so ft h e m o d e r ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y s e n s o r sa r et h ei n t e r f a c eo ft h es t u d i e d o b j e c ta n dt h ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，a n da l s ot h ea c c e s so f t h es y s t e mt o a c q u i r ea n dd e t e c ti n f o r m a t i o n m a g n e t i cs e n s o r sa r eo n eo fi m p o r t a n t b r a n c h e s t h em a g n e t o r e s i s t i v ec u r r e n ts w i t c h ( m r c s ) i nt h i sp a p e ri s d e s i g n e df o rt h ef i n em e a s u r e m e n t a n dd e t e c t i o no ft h ec u r r e n ta t5 0 h z t h r o u g ht h es e n s o r ，i tc a nc o n v e r tt h ec u r r e n ts i g n a l i n t oe l e c t r i cp u l s e s i g n a l ，i e d i g i t a ll o g i c e l e c t r i cl e v e l f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo f t h el n s b m a g n e t o s e n s i t i v e c h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e na n a l y z e si nd e t a i la b o u tt h es t r u c t u r ep r i n c i p l e o fm a g n e t o r e s i s t i v ec u r r e n ts w i t c h ( m r c s ) i t sc i r c u i ts t r u c t u r ei sm a i n l y c o n s t i t u t e d b yt h r e eu n i t s ：s i g n a l p r o c e s s i n g c i r c u i t ，t h ec o m p a r a t o r c i r c u i tu n i ta n dd r i v i n gc i r c u i tu n i t b yi m p r o v i n gt h ef r e q u e n c yp a s s b a n d ，an e ws i g n a l 。p r o c e s s i n g c i r c u i tw a sd e s i g n e dt oe n s u r et h ef r e q u e n c yr a n g eo ff r o m4 7h z t o5 3 h z i ti sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lc o u p l i n gc i r c u i tu s i n gc a p a c i t a n c ea n d r e s i s t a n c e a sar e s u l t ，t h i s s i g n a l - p r o c e s s i n g c i r c u i tc a nr e a l i z et h e d e t e c t i o no ft h ec u r r e n t s i g n a l a t 5 0 h z e v e n t u a l l y , i t i n h i b i t e dt h e n o n s t a n d a r ds i g n a lw h i l ep r e v e n t i n gt h es w i t c hf r o mo p e r a t i n gb ye r r o r m o r e o v e r , i nt h ec o m p a r a t o rc i r c u i t u n i t w er e a l i z et h ef u n c t i o n t h e d e t e c t i o no ft h en u m b e ro fp o s i t i v ea n dn e g a t i v ee l e c t r i cp u l s e l a s t l y , w ed e s i g n t h e a p p l i c a t i o n ss y s t e m o f s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，c o u n t i n g t h en u m b e ro fm r c s o u t p u t e l e c t r i cp u l s e t h e m a i nf u n c t i o no fs y s t e mi st om e a s u r et h en u m b e ro fp u l s e ，i e t h e d e t e c t i o no fd i g i t a lq u a n t i t y t h ec i r c u i td e s i g n so ft w ou n i t se v e n t u a l l y r e a l i z et h ed e t e c t i o no ft h ec u r r e n ta t5 0 h z f i n a l l y , t h e e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d p e r f o r m a n c e o f m a g n e t o f e s i s t i v e c u r r e n ts w i t c h ( m r c s ) a r et e s t e d 1 、t e s tt h et w og r o u p so fm r c s s a m p l e s w h e nt h ew o r kf r e q u e n c y a ci n c r e a s e df r o m1 0 m at o1 0 0 m a ，t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ef i r s t g r o u pr i s e da p p r o x i m a t e l yl i n e a r l y f r o m1 5 vt o3 5 v ：t h eo u t p u t v o l t a g eo ft h es e c o n dg r o u pr i s e da p p r o x i m a t e l yl i n e a r l y f r o m1 8 vt o 4 5 v i nac o n c l u s i o n ，t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tm r c sp o s s e s s e d e x c e l l e n tl i n e a r i t y 2 、t h e d e s i g n f i l t e r sc e n t r a l f r e q u e n c y i s4 9h z t w oc u t o f f f r e q u e n c y 4 6 5a n d5 2 7h zc h o o s et h eb a n d w i d t ho f6 2 h z t h u s ， b a s i c a l l ya c h i e v e t h e p u r p o s e o f p a s s i n g t h ew o r k f r e q u e n c y c u r r e n t 。 3 、t h ec o m p a r a t o rc i r c u i tu n i tp u t so u tp u l s ew h i c hi n0 1 s e c o n d a c c o u n t st o1 0i e t h es i g i n a l sf r e q u e n c yi sl o o h z k e y w o r d s ：i n d i u m - a n t i m o n i d e ，m a g n e t o s e n s i t i v e r e s i s t a n c e ，c u r r e n t s e n s o ls i n g a l p r o c e s s i n gc i r c u i t ，s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r , c o u n t e r 华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 学位申请人笨苤鳐向本学位论文答辩委员会提交 题龙簋拿辎轻擘缸喧型冱器坠垂擘芝盛_ 蝴硕士论文， 经答辩委员会审议，本论文答辩合格，特此证明。 学位论 主席： 委员： 论文指导老师( 签名) ： ( 签名) 堂睦 少。r 年6 月7 日 华南师范大学硕+ 学位论文第一章引言 笫一章引言 传感器( t r a n s d u c e r 或s e n s o r ) 是敏感于待测非电量并可将它转换成与之对 应的电信号的元器件或装置的总称。它通常山敏感元件与信号调节电路组成。敏 感元件由于能提供具有被测对象所包含信息的电信号而使测量成为可能。信号调 节电路对电信号进行处理，以适宜于传输和测量。因此，传感器是整个测量系统 的基础。利用传感器的测量系统目的之一酊以是过程监测，如路灯工作电流测量、 环境温度测量等。另一个目的可以是过程控制。图卜l 示出一个测量系统的功能 和数据流。通常，由传感器完成信息采集之后，还需对有关信息进行处理并显示 结果，以使结果能被人的感官所察觉。1 1 1 图1 - 1 测量和控制系统中的功能和数据流 从信息技术的角度来看，传感器是获取和转换信息的一种工具，这些信息包 括电、磁、光、声、热、力、位移、振动、流量等。传感器的核心部件是敏感元 件，它是传感器中用来感知外界信息和转换成有用信息的元件。传感技术是关于 传感器及其敏感元件与材料的一门综合性技术。传感器是信息采集系统的首要部 件，处于现代测量与自动控制( 包括遥测、遥感、遥控) 的主要环节。目前，传 感器技术与通信技术和计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱， 并成为现代测量技术与自动化技术的重要基础。8 0 年代以来，全球的传感器技 术取得了迅速发展，发达国家均已形成传感器产业，通用传感器实现了规模化生 华南帅范大学硕+ 学位论文 产，产品系列已广泛应用于国民经济各个领域。在工业过程控制、测量和自动化 中，传统上使用传感器进行温度、压力、流量和液位测量。如今，在数字电子学 发展的推动下，传感器已能进入汽车、飞机、医疗产品、家用电器及污染控制中 的多个物理量和化学量进行测量的众多新的应用场合。汽车工业中加速度传感器 和压力传感器与医用设备中血压传感器的年销售量多达数千万个。c m o s 图象传 感器、光纤传感器和生物传感器也得n t t h 类似的迅猛发展。嘲 磁传感器是传感器大家族中的一分子，古老的磁传感器如电磁传感器已逐渐 地被各种高性能磁性体为主要材料的新型传感器所代替。高性能磁性材料的出现 和制备工艺的不断改良，为新型磁敏传感元件和传感器提供了广阔的市场。传感 器工业可望更广泛地应用磁体设计，以减轻重量、改进性能，节约能源。 磁传感器最直接的应用是检测磁场的大小和方向。计算机技术的发展，拓展 了其应用领域。它们可以通过传感磁场，由转换电路将各种物理量变换成电信号， 完成成千上万的分析与控制功能。自从磁传感器作为+ 种独立产品进入应用以 来，至今，从1 0 。1 4 t 的人体弱磁场到高达2 5 t 以上的强磁场，都可以找到相应的 传感器进行检测，目前已形成的磁传感器的主要类型见下表： 表1 - 1 ：磁敏传感器与相应的物理效应【3 1 物理效应材料检测范围主要应用领域 约瑟夫森效 超导材料 最高分辨率检测弱磁场、微弱电 应1 0 一1 3 t压等 核磁共振效最高分辨率检测弱磁场，做测磁 应 质子 1 0 1 1 t计量标准 碱金属原子、最高分辨率检测磁场( 与磁场方 塞曼效应 氦1 0 叫t向无关) 倍频谐波效 软磁材料 最高分辨率检测弱磁场( 方向性 应1 0 “t强) 用于制作特斯拉计、 霍尔效应半导体材料无触点开关、函数发 生器、运算器 半导体材料 检测磁场，用于制作 磁阻效应无触点电位器，无接 强磁材料 触开关 p n 结注入 半导体材料 检测磁场，用于制作 效应无触点开关等 华南师范大学硕十学位论文 近年来由于半导体微电子技术的发展，在半导体材料基础上，运用微电子加 工技术发展了各种门类的敏感元件。这在国际h 被通称为固态敏感元件( s o l i d s t a t es e n s o r s ) 。利用半导体中的洛伦兹力作用所产生的霍尔效应叮制成磁敏元 件，利用其因磁引起电阻变化的效应也可制成另一种磁阻式磁敏元件。早在1 8 8 3 年人们就发现了金属导体的磁阻效应；1 9 5 1 年研究了强磁性薄膜的磁阻效应。 五十年代，对i i 卜v 族化合物的研究，特别是发现了锑化铟( i n s b ) 和砷化铟 ( 删5 ) 等材料具有极高的迁移率，进一步促进了磁敏屯阻的开发。磁敏电阻 虽与霍尔元件样均属于磁敏元件，能有效地进行多种物理量的检测。但磁敏电 阻结构简单，并且可以将多个元件集成在同一基片上，使温度系数变得很小。而 r ，磁敏电阻元件是两端型元件，与霍尔元件的四端型相比，使用更加方便。 近年来，磁敏电阻器已经得到了广泛的应用。如用于检测磁场强度，磁场分 布及方向；也可用于测量位移，角度、转速等；还可用于计算技术，如作函数发 生器、乘法器、除法器，丌立方器等；此外，由于磁敏电阻输出功率与电流、磁 场乘积成比例，故它作为功能敏感元件的潜力也很大。 华南师范大学硕士学位沦文第二章锑化锢磁敏电阻效应及其原理 第二章锑化铟磁敏电阻效应及其原理 半导体锑化铟传感器的工作原理的理论基础是霍尔效应和磁阻效应，基于载 流子在磁场中受洛伦磁力的作用而发生偏转的机理。由于霍尔效应和磁阻效应都 是比较典型的磁敏效应，所以，我们首先介绍这两个效应，然后再介绍半导体锑 化铟磁敏电阻。 2 】半导体中的电磁效应嘲m 旧9 带电粒子在磁场中运动时，受到洛伦兹力的作用。对于n 型半导体，当不加 磁场时，电子电流密度为l ，。( o ) 。假设温度梯度为零，可以求得玻尔兹曼输运方 程的近似表达式为 j 。( o ) = u 。e + q d n v n ( 21 ) 式中 盯。口= 0 时的电导，盯。；q 心n ： e 电场强度； q 电子电荷； d 。电子扩散系数； n 电子浓度： 以电子漂移迁移率。 当磁场不为零时，电子电流密度为 j 。( b ) = j 。( o ) 一口：( j 。) x b ) ( 22 ) 式中 ：电子霍尔迁移率，口：= y 。口。 y 。散射因子，y 。一 f ：，t l ，2 l 两次碰撞之间的自由时间，其值与能带结构和散射机理确 关。 对于低掺杂n 型硅，在室温下y 。约为1 1 5 。由式( 2 2 ) 可以得到 4 华南师范大学硕士学住论文第二章锑化铟磁敏电阻效应及其原理 驴咝监鼍喾笋堕趔 s ， 上式表示电子在绝热系统下的电磁效应，它包含温度对载流子浓度、扩散和 迁移率的影响。如果载流子的浓度梯度可以忽略不计，载流子的漂移起主导作用， 式( 2 - 3 ) 则变为 其中 ，。( b ) = 口柚【e + 肛：( 口e ) + ( ：) 2 ( 口e ) 口】 ( 24 ) 盯m2 蠢裔 当磁场与电场平行时，口e = 0 ，则可以得到：i ，) = ( j r 。e = g n ( o ) ，在各 向同性的半导体巾，不存在纵向电磁效应。当磁场与电场垂直时，b e = 0 ，则 有 j ( b ) = 盯。【e + w ( b e ) 】 ( 2 5 ) 上式表示忽略载流于扩散情况下的横向电磁效b = ( 0 , 0 ，b ) e = ( e 。，e ，0 ) 和i ，。) = p 。，j 。，0 ) ，式( 2 5 ) 可以写成 f j 肘= o 柚( e 。一：口e y ) 1 j 。= 口m ( e ，+ ：雎y ) 2 1 i 霍尔效应“盯田7 8 9 ( 26 ) 当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时，其两端将产生电位差， 这一现象称为霍尔效应。1 8 7 9 年，霍尔( e d w i nh h a l l ) 在金中发现了这一效 应。 图21 霍尔效应示意图 华南师范大学硕士学位论文第二章锑化铟磁敏电阻效应厦其原理 图21 针对半导体示出所产生的电压方向，它取决于多数载流子的类型。洛 伦兹力f 作用于这些载流子上，f = e v b 。载流子上的力导致半导体表面上的 电荷积累，从而形成横向电场，以致作用在载流子上的力与磁场施加的力相平衡。 由于力的方向取决于多数载流子的电荷，所以p 型和i 1 型材料的霍尔电压的符号 相反。 假设电流密度只有石方向的分量，即j 。= 0 ，霍尔电场则为 e ，一p ：船，；a 日j 。b ( 2 7 ) 式中a 。霍尔系数 铲一等一篆 喝 霍尔电场使等电势线旋转一个角度0 。，此角称为霍尔角 t a n ”争叫耻叫。占 ( 2 - 9 ) 对于厚度为t 的长方形样品，当电流为i 时，产生的霍尔电压为 ：a h 1 b = s h l b ( 2 1 0 ) s 。= 争= 兰 式中 s 。霍尔器件的灵敏度。t i n s b 材料的厚度a 输入电流。a 。霍尔系数。 由( 2 - l o ) 式表明，元件越薄，给定i n s b 材料的电压越大，但是元件的电 阻也越大；由( 2 1 1 ) 式看出，若要提高霍尔器件的灵敏度，应减小载流予浓度。 由于半导体中的载流子浓度比金属小，所以半导体更适宜制作霍尔元件。不过， 式( 2 - 1 0 ) 描述的是理想情况。在实际中，霍尔电压还取决于另一些因素，如机 械压力和温度t 。 华南师范大学硕士学位论文第二章锑化铟碰敏电阻效应及其原理 2 1 2 磁阻效应瞄”“1 加到载流导体上的磁场口对电子施加的洛伦兹力为 f = e v x b( 2 一1 2 ) 式中，e = 一q 是电子电荷，v 是电子速度。洛伦兹力f 使部分电子偏离它们的路 线。若由于晶格碰撞引起的弛豫时间相当短，则向导体另一侧漂移的电子将产生 阻止电子进一步漂移的横向电场( 霍尔电压) 。若弛豫时间相当长，则电阻明显 增加，这一现象称为半导体的磁阻效应。1 8 5 6 年，开尔文首先发现了铁和镍中 的磁阻效应。 假设霍尔电场为零，n 型半导体为短而粗的样品，电极由两端面引出，根据半导 体的电磁效应，得到载流子的偏转为 拿：占：t a n 0 。 ( 21 3 ) j 肘 由于偏转使载流予的漂移轨迹增长，产生儿何磁阻效应，可以用下式表示： 丛 旦；( ：b ) 2 ( 2 1 4 ) p n 式中p 。不加磁场时的电阻率： p 。加磁场时的电阻率。 对于硅，这种磁阻效应很小。当磁感应强度为1 特斯拉时，p 。一1 0 2 p 。 对丁锑化铟，磁阻效应很强，当磁感应强度为1 8 m t ( 毫特斯拉) 时，p 。一1 0 2 p 。 因此，锑化铟更适宜制作磁敏电阻。 对于p 型半导体，霍尔系数为 如：一t p ( 2 1 5 ) q p 其中 y 。；生 lo 式中 肛。空穴漂移迁移率： p ：空穴霍尔迁移率。 华南师范大擘硕士学住论文第二章锑化铟磁敏电阻教应及其原理 在低掺杂情况，室温下测得r 。一o 7 。霍尔角为 t a n 0 h 一：b ( 2 - 1 6 ) 磁阻效应可用f 式表示 一p e e ；1 + ( ：b ) 2 p ， ( 2 1 7 ) 两种载流子同时存在时，霍尔系数为 4 一一! ! 坠! 型：! 二! ( 2 1 0 。) 以lr 兰一= 一 “ q 【( 。卢，) h + p 】2 综上所述，磁阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应： l 、物理磁阻效应有三种状念： 在弱磁场时：( p 。一成) l p 。与铲成诈比； 在强磁场时：( p 。一以) p 。与b 成萨比； 在磁场无限大时，电阻率p 趋于饱和。 在制造n s b 磁敏电阻器件时，通常都利用第二种状态。i n s b 的物理磁阻效 应可以表示为： ( pbpo ) po = pb po = o 2 7 5 # 学 ( 2 1 9 ) 式中：口是磁感应强度，p 。和j 9 。分别为有磁场和无磁场时i n s b 磁敏电阻 的电阻率；卢。为载流予的迁移率。 根据电阻值与电阻率的换算关系r - pi l l s ，上式变为： r h j r 亍o ? 2 7 5 # ；e 0 2 - 2 0 式中：曰是磁感应强度，尼和r o 分别为有磁场和无磁场时i n s b 磁敏电阻的电 阻值。 2 、几何磁阻效应： 在相同磁场作用下，压q l n s b 半导体晶片几何形状的不同，电阻值产生不 同变化的现象称为几何磁阻效应。图2 2 表示的是l 何磁阻效应的实验结果， 在制造l n s b 磁敏电阻时一般将几何形状设计为图22 中的第2 种形式。 8 华雨师范大芋确士学位论文 第二辛锑化锢穗敏电阻效应厦其原理 k r 。：埘垮时 a， w 。h ll 弗54 - - 2 112 5 7 ：唑 i 兽 晴 b ? ， z么 ， 一 图22l n s b 磁阻效应原理 2 2 锑化铟磁敏电阻及其应用”“”3 磁敏电阻器是一种磁电转换元件，它是根据霍尔效应和磁阻效应的原理制成 的。这种元件随着磁场的增加，电阻值增加很明显，电流偏转的霍尔角也很大， 主要是由材料迁移率决定的。因此，必须选用电子迁移率高的锑化铟之类的材料。 1 9 6 5 年，困际市场上出现了磁敏电阻。 与同样具有零阶模型和进行非接触式测量的霍尔效应传感器相比，磁敏电阻 有更高的灵敏度、更宽的温度范围( 一5 5 。c - - 2 0 0 。c ) 和通频带( 与普通霍尔效 应传感器的2 5k h z 相比，通频带范围从直流到5 甚至1 0 0m h z ) 。与霍尔效应传 感器不同，磁敏电阻对机械不敏感，因此必要时它可以注入成型，构成包括电子 线路和磁铁在内的组件。它的较高灵敏度意味着可以用比霍尔效应更大的空气隙 进行工作。此外，它能在较小的场强下饱和而且成本更低。表2 1 对a m r 、g m r 和霍尔效应传感器进行了比较。 表2 - 1a m r 、g m r 和霍尔效应传感器的一般特性f 1 参数a m r 传感器g m r 传感器霍尔效应传感器 输入范围 2 5 m t2m t6 0m t 最大输出 2 一5 4 一2 0 0 5 v w 频率范围达5 0 f h z达1 0 0 m t t z 2 5k h z ( 典型值) 1 m h z ( 可实现值) 温度系数较好良好由传感器类型决定 最高温度 2 0 0 2 0 0 1 5 0 成本中等偏高中等偏低低 9 华南师范大学硕士学位论文 第二章锑化铟磁敏电阻效应厦其原理 锑化铟m 曲) 是l i i v 族化合物半导体，它的禁带宽，电子迁移率高。i n s b 的分子量为2 3 6 5 7 ，熔点5 2 5 ，密度5 7 7 5 1 9 c m 3 ，导热率0 1 8 w c m k ，热 胀系数5 0 4 p p m k ，介电常数1 7 7 。室温下禁带宽度为0 1 8 e v ，本征载流子浓度 约为1 1 x 1 0 “c m3 p 。i a s h 的晶体结构为闪锌矿，品格常数0 6 4 7 9 n m 。它的电 子有效质量约为0 1 3 巩( f i l d 为电子质量) 。室温下质量良好的n 型i n s b 的电子迁 移率可高达7 8 0 0 0 c m 2 v s ，它与温度的关系为： 弘。= 7 1 0 8 t 。6 ( 2 v - s ) 如曲的空穴有效质量为0 6 ，其迁移率约为7 5 0 c m 2 v - s 。 空穴迁移率与温度 的关系为 。= 1 i x l 0 8 t 2 1 ( c m2 v s ) 与其它半导体材料相比，具有较高的电子迁移率( 见表2 2 ) 。 表2 2 各种半导体材料的特性比较1 4 l 材料禁带宽度电阻率电子迁移率霍尔系数 瞻( e v ) ( q c 所) ( c m 2 v s )r h ( c m 3 c ) n g e0 6 61 03 5 0 04 2 5 0 n 一& 1 1 0 71 51 5 0 02 2 5 0 l h s b 0 1 70 。0 0 56 0 0 0 03 8 0 觑，4 5 0 3 70 0 0 3 52 5 0 0 01 1 5 l n a s po + 6 3o 0 6 1 0 5 0 08 5 0 g a a sl _ 4 7o 7 88 5 0 06 2 5 0 s i1 1 21 9 0 0 4 2 5 从以上分析看出，要制造出高灵敏度磁敏电阻，在材料方面应选用具有高电子迁 移率。的半导体材料，在几何结构方面要设计制造短又宽的j l 何结构。 在半导体材料中，i n s b 的电子迁移率。最大，在室温下大约为7 5 x 1 0 4 c m 2 v s ，大约为硅材料的5 0 倍。在几何形状方面都是在l n s b 晶片上沉淀许 多等宽和等间隔的金属短路条，形成由许多短而宽的微小型磁敏电阻串联组成的 磁敏电阻元件。图( 2 3 ) 所示的两种结构就是一般常用的i n s b 磁敏电阻元件的 1 0 兰塑查兰! 堂堡垒圭 苎三主堑堡塑壁墨皇里垫生墨兰璺墨 几何结构，它们分别组成两端型磁i j h s n - - 端型磁阻。 本章小结： ( a ) 衙端型( b ) 兰端整针型 图2 - 3t n s b 磁敏电阻的两种结构 本章主要介绍半导体材料中的磁敏效应有关的基础理论：半导体锑化铟传感 器的工作原理的理论基础是霍尔效应和磁阻效应，基于载流子在磁场中受洛伦磁 力的作用而发生偏转的机理。霍尔效应和磁阻效应都是比较典型的磁敏效应；分 析了锑化铟磁敏电阻的磁阻特性。与同样具有零阶模型和进行非接触式测量的霍 尔效应传感器相比，磁敏电阻有更高的灵敏度、更宽的温度范围( 一5 5 2 0 0 ) 和通频带。 华南师范大学硕士学位论文 第三章几种电流传感器3 - 作原理的介绍 第三章几种电流传感器工作原理的介绍 在电力工业百多年的发展历史中，电流互感器( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) 作为测量电流的设备为电力系统中的计量、继电保护、控制与监视等发挥了重要 作用，为保证电力系统的安全、可靠运行作出了重大贡献。分流器和电流互感器 是检测电流的常用器件。随着电力电子技术的发展，用它们作为检测电流的器件 已经不能满足中高频、宽频谱电流波形的传递。霍尔元件( l e m ) 电流传感器是 目前弥补这一空缺的主要电流检测器件。它分为直测式和磁补偿式。以霍尔效应 原理为基础的传感器不但可以用于开环或闭环的测量方式，而且也提供了驱动电 路与传感器之间的隔离，同时它的操作频率能够包含从直流到交流2 0 0 k l l z 的高 频。但是在灵敏度、温度特性、尺寸以及线性度方面却有所限制。新型半导体磁 阻式电流传感器保留了霍尔元件( l e m ) 电流传感器优点的同时，又克服了它的 缺点。我们已经采用i n s b i n 磁阻元件( m r ) 制成了电流传感器( m r c s ) 。， 它是用同时改变两个i n s b i n 磁阻元件阻值的方法来实现检测电流信号 的。 3 1 霍尔元件电流传感器 霍尔式传感器采用的是半导体而不是金属。因为半导体的电导率比金属小， 而载流子的漂移速度则比金属高，从而能产生较大的霍尔电压。霍尔元件所使用 的材料包括锑化铟( n s b ) 、砷化镓( g a a s ) 、锗( g e ) 、砷化铡( i n x s ) 和硅。 具有数字输出的霍尔式传感器如图3 一l 所示。 蚝a 输戳 地 图3 一l具有数字输出的霍尔式传感器的结构示意图 1 2 华南师范大学硕士学位论文 第三章几种电流传感器工作原理的介绍 3 1 1 霍尔直测式电流传感器 霍尔直测式电流传感器利用霍尔器件进行非接触式电流测量。顾名思义，就 是直接测量方式。其工作原理如图3 2 所示，当电流i 。通过一根长直导线时， 在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流成f 比，这一磁场可以通过软 磁材料来聚集产生磁通为掣，然后用霍尔器件来进行检测，由于磁场与霍尔器 件输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得信号的大小u 0 ( u o = u 。一u 】i ) 来反映出直导线中电流的大小。这就构成了霍尔直测式电流传感器。 图3 2霍尔直测式电流传感器的检测原理 表3 - 1 霍尔直测式电流传感器主要技术参数( 北京莱姆电子有限公司) 1 2 型号额定电流测量范围频率范围线性度绝缘性能 b l k 5 0 一f f5 0 ao 1 0 0 ao 2 0 k h z2 2 5 k v b 【k 7 5 一f f7 5 ao 1 5 0 ao 2 0 k h z1 2 5 k v b l k l 0 0 一f fi o o ao 2 0 0 ao 2 0 k h z1 2 5 k v b i 。k 2 0 0 一f f2 0 0 ao 3 0 0 ao 2 0 k h z1 2 5 k v b l k 3 0 0 一f f3 0 0 ao 3 0 0 ao 2 0 k h z 1 2 5 k v b l k l o o f yi o o a0 2 0 0 ao 2 0 k h z1 2 k v b l k 2 0 0 一f y2 0 0 a0 4 0 0 ao 2 0 k h z 1 2 k v b l k 3 0 0 一f y3 0 0 ao 4 0 0 ao 2 0 k h z 1 2 k v b l k 5 0 0f y5 0 0 ao 7 0 0 ao 2 0 k h z 1 2 k v 华南师范走学硕士学位论文 第三章几种电流传感器工作原理的介绍 ib l k 8 0 0 一f y8 0 0 ao l o o o ao 2 0 k h z 1 2 k v 【b l k l 0 0 0 一f y1 0 0 0 ao 1 4 0 0 ao 2 0 k h z 1 2 k v 霍尔直测式电流传感器可用于测量电力系统中任意波形的直流电流、交流电 流和脉冲电流以及用这些测量值进行控制的系统。传感器的输m 端与原边电路是 绝缘的，其输出电压连续可调，过载能力强。已在地铁、电站、电力机车、电机 控制、变频调速、整流器、电力网监控自动化系统、安全电源、u p s 等许多领域 得到广泛的应用。霍尔直测式电流传感器具有结构简单、容易安装、性价比高的 优点。因此主要适用于精度要求不高的场合。 3 。1 2 霍尔磁补偿式电流传感器 霍尔磁补偿式电流传感器的工作原理是磁场平衡，即主电流回路所产生的磁 场，通过一个次级线圈的电流所产生的磁场来补偿，使得霍尔元件一直处于检测 零磁通的工作状态。它由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈等组成。 i i 图3 3霍尔磁补偿式电流传感器工作原理 图33 是磁场平衡式的霍尔电流传感器，在软芯铁芯上绕有“组副线圈 当电流通过时，它所产生的磁场与主回路被测电流产生的磁场方向相反， 设定两个回路的匝数相等时，所产生的磁场相互抵消，呈现零磁通状态，这 样的一个平衡过程是在很短的时间内完成的，一旦主电流，即被测电流发 生变化， 磁场就失去平衡，霍尔器件就有信号电压输出，经放大器放大后，立即 有相应的电流流过副线圈进行补偿，因此从宏观上来看次级补偿电流的安 匝数在任何时刻都与主电流的安匝数相等，由( 3 1 ) 式表示： n ，i 一十n s i 。= o ( 3 一1 ) 式中n ，为主回路绕线匝数，i ，为主电流，即被测电流； 1 4 华南师范大学硬士学住论文 第三章几种电流传感器工作原理的介绍 n s 为次级网路绕线匝数，t ；为次级回路电流： 所以已知n ，、n 。，测得i ；就可知道主回路电流i ，的大小。 表3 - 2 霍尔磁补偿式电流传感器主要技术参数( 北京莱姆电子有限公司) 【2 l 型号额定电流频率范围线性度绝缘性能 测量范围 ( i n ) l t l 0 0 - pl o o ao 1 5 0 ao 1 0 0 k h zo 1 0 3 k v l t l 0 0 一s1 0 0 a0 2 0 0 ao l o o k t t zo 1 0 5 k v l t l 0 0t1 0 0 a0 2 0 0 a0 1 0 0 k h zo 1 0 5 k v l t 2 0 0s2 0 0 ao 4 0 0 a0 1 0 0 k h z0 1 0 6 k v l t 2 0 0 - t2 0 0 ao 4 0 0 a0 1 0 0 k h zo 1 0 6 k v 1 t 3 0 0s3 0 0 ao 6 0 0 ao l o o k h zo 1 0 6 k v l t 5 0 0 一s5 0 0 a0 1 0 0 0 a0 1 0 0 k h z0 1 0 6 k v l t l 0 0 0s i1 0 0 0 a0 1 5 0 0 ao 1 0 0 k h zo 1 0 6 k v l t 0 0 0t i】o o o ao 1 5 0 0 ao 1 0 0 k h zo 1 0 6 k v l t 4 0 0 0 一s4 0 0 0 ao 6 0 0 0 a0 1 0 0 k l t zo 1 0 6 k v l t 2 0 0 0 一s2 0 0 0 ao 3 0 0 0 a0 l o o k h zo 1 0 6 k v 霍尔磁补偿式电流传感器的应用范围类似于霍尔直测式电流传感器。它具有 响应时间快和测量精度高等优点，因此主要适用于精度要求高的场合。 3 2 锑化铟磁敏电流传感器的结构和工作原理m 州”1 利用锑化锢一铟( i n s b i n ) 磁阻元件( m r ) 制成电流传感器( m r c s ) ，是 一种基于磁阻效应的磁敏传感器。它在保留霍尔电流传感器优良特性的同时，又 具有结构简单、灵敏度高、体积小、线性度优良等优点。它的工作原理就是将通 电导线周围的磁场转换成与之对应的电压信号。它的特点是对微弱电流信号能很 好地进行非接触式检测，工作电压为5 v ，电流检测范围为i o a 以内，工作频宽 为o 1 0 k h z 。它的结构如图3 - 4 所示，主要由导线、绝缘基片、i n s b i n 磁阻元 华南师范太学硕士学位论文第三章几种电流传感器工作原理的介绍 件m r ，和m r 2 、永久磁铁、5 个引脚组成。4 、5 引脚接待测电流，2 引脚为信号输 出，1 、3 1 脚分别接电源和地。其中的m r ，和m r 。是相对放置的一对磁阻元件， 其阻值相等。垂直放置于基片f 的永久磁铁为m r 。和m r 。提供偏置磁场b ，可以提 高m r c s 检测的灵敏度。待测电流流经的导线置于m r ，和m r ：对称轴的位置。当电 流流过4 、5 端时，导线周围产生空问磁场，其磁感应强度为a b 。这个空问磁场 分别穿过m r 。、m r 。时，在某个瞬间方向相反，所以这个磁场与m r c s 内部永久磁 铁的偏置磁场b 相叠加而产生的效果是使m r ，和m r 。的阻值一个增大，一个减小。 根据欧姆定律，这种一增一减会使m r ，和m r 。的连结处( 即信号输出端) 的电压 变化幅度更大。依据这种电压变化，m r c s 就能够检测、采集到电流信号。 图3 4m r c s 的结构示意图 其信号采集电路具体实现电路为磁阻三端差分型( 图3 5 ) 。三端差分型信 号采集方法使用两个完全相同的磁阻芯片m r 。和m r ：串连，做在同一个基片上。 从它们中问点抽出信号输出线。它有两大优点。在保持电源电源v e 不变情况下， 这上、下两个磁阻一增一减在其中点就能够产生差不多两倍电压幅度的输出电压 信号。此外，采用三端输出型可以大大地抑制温漂。对于锑化铟( i n s b ) 磁阻的 温度系数较大，一般在一o 2 | 。c 左右，当环境温度变化时，m r ，和m r z 同比例 变化，由欧姆定律可知在如图4 - - ! ( b ) 中只要v s 不变，中点的电压是差分输出， 因此可以起到温度补偿的作用。这在很大程度上抑制了信号采集电路的温漂问 题，提高了整个电路的共模抑制比。 华南师范大学硕士学位论文 第三章几种电流传感器工作原理的介绍 袖出 卜。信号 图3 - 5m r c s 的信号采集电路图 3 3 光学电流传感器的介绍m 1 7 刚 1 9 7 0 年美国康宁公司研制成功世界上第一根实用化的传输损耗为2 0 d b “k m 的石英光纤，促进了电流光学测量的实用化研究的进展。由于具备了激光源、 光纤等物质条件，人们立刻看到了基于法拉第效应的光学电流传感器( o p t i c a l c u r r e n tt r a n s d u c e r ) 的技术优越性和潜在的经济价值。在世界范围内开始了对 此种传感器的开发研究。图36 示出了光学电流传感器运行于电力系统时的一般 情形。 恃 图36 运行于电力系统中的o c t 1 7 】 和传统的电磁式电流互感器相比，光学电流传感器具有以下几种优点： ( 1 ) 光纤由绝缘材料组成，有利于解决高低电压间的隔离问题。 ( 2 ) 测量的动态范围宽，不会发生铁心磁通饱和而致测量结果失效，也不会 出现铁磁谐振。 ( 3 ) 输出为光纤光信号，不会出现高开路电压的现象。 ( 4 ) 在光纤中传播光信号，所以避免了电磁干扰对测量的影响。 ( 5 ) 结构简单，重量轻，便于运输和安装。 光学电流传感器的工作原理为：以法拉弟( f a r a d a y ) 磁光效应为基础，法拉 弟效应是指线偏光在磁场h 中的光介质内部传播时，偏振而旋转了角度0 0 ：v 阻h d t ( 3 - 2 ) 华南师范走学硕士学位论文 第三章几种电流传感器工作原理的介绍 式中v 为材料的v e r d e t 常数，它受光源波长及温度的影响，l 为光线在材料 中通过的路径。为了防止外界磁场的干扰，对式( 3 - 2 ) 取环路积分，则 8 = v n i (