第四章 磁敏传感器.pdf

第四章 磁敏传感器 第四章 磁敏传感器 定义 磁敏传感器是一种将磁学量信号转换成电信号的器件或装置 按其结构主要分为体型和结型两大类 目前常见的磁传感器的主要类型见表 4 4 1 名称 工作原理 工作范围主要用途 相关元件 霍尔器件 霍尔效应 10 7 10T 磁场测量 位置和 速度传感 电流 电压传感器等 单晶 Si Ge InAs InSb GaAs InAsP 霍尔片 开关和线性集 成电路 半导体 磁敏电阻 磁敏电阻效 应 10 3 1T 旋转和角度传感 长方体 栅格结构 InSb NiSb 共晶体 曲折 形磁阻元件 科尔宾元件 磁敏二极管 复合电流的 磁场调制 10 6 10T 位置和速度及 电流 电压传感 磁敏晶体管 集电极电流 或漏极电流 的磁场调制 10 6 10T 位置和速度及电 流 电压传感 双极型和 MOS 型晶体 管 金属膜磁敏 电阻器 磁敏电阻的 各向异性 10 3 10 2T 磁读头 旋转编码器 速度检测等 包括三端 四端 两维 三维和集成电路 巨磁阻抗传 感器 巨磁阻抗或 巨磁感应效 应 10 10 10 4T 旋转和位移传感 大电流传感 威根德器件 威根德效应 10 4T 速度检测 脉冲发 生器 磁电感应 传感器 法拉第电磁 感应效应 10 3 100T 磁场测量和位置 速度传感 超导量子 干涉器件 约瑟夫逊效 应 10 14 10 8T 生物磁场检测 4 1 霍尔元件 称为霍尔式传感器 是利用霍尔效应原理将被测量 如电流 磁场 位移 压力等 165 转换成电动势的一种传感器 4 1 1 霍尔效应霍尔效应 一 定义 一 定义 若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应强度为 B 的磁场 z 方向 中 当 垂直磁场方向上有电流流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场 EH 的物理现 象 二 解释二 解释 若 N 型半导体 控制电流 I 自左向右 那么半导体中的多数载流子 受 B 洛仑兹力 FL作用 如图虚线 结果在后端 面上积累电子 前端面上 前后端面间形成 电场 积累越多 此电场越强 当 FL FE相 等时达到动态平衡 此电场就称为霍尔电场 EH 相应的电势称为霍尔电势 UH l b I d B v FE FL UH 三 数量描述三 数量描述 大量实验测得 霍尔电场 IBRE HH 1 RH为霍尔系数 若电子都以均一速度v运动 在 r B r 作用下所受的洛仑兹力为 evBBvqFL vv 同时 电场E v H力为 bUeEeF HHE vr 负号表示电子的受力方向与电场相反 当电子积累达动态平衡时0 EL FF bUvB H 2 而 nevj nevbdjbdI 3 负号表示电子运动速度方向与电流方向相反 将 3 式中的速度 v 代入 2 式得 IBK d IB R ned IB U HHH 4 式中霍尔系数 1 13 Cm ne R H 由掺杂浓度决定 如果是 P 型半导体 1 13 Cm pe RH KH 称为灵敏度系数 表示在单位 B 单位 I 的霍尔电势的大小 单位为 V A 1T 1 与材料的掺杂浓度和几何尺寸有关 霍尔元件越薄 即 d 越小 KH就越大 dRK HH 166 所以元件都较薄 尤其薄膜元件厚度只有 1 m 左右 又由半导体物理知 qn 1 则 H R 讨论 对于金属材料 其 很小 则RH很小 输出的UH极小 不宜作霍尔元件 对于绝缘材料 虽 很大 但迁移率很小 也不宜作霍尔元件 因此霍尔元件都是由半导体材料制成的 因一般电子迁移率大于空穴迁移率 霍尔元件多用 N 型半导体材料 四 下面介绍影响霍尔效应的因素 四 下面介绍影响霍尔效应的因素 1 磁场与元件法线的夹角磁场与元件法线的夹角 如磁场与薄片法线有一定夹角 那么霍尔电势的值会减小 cosIBKU HH 2 元件的几何形状对元件的几何形状对 UH有一定的影响有一定的影响 f l b l b 1 04 03 02 00 0 5 1 0 当b加大或l b减小时 载流子在磁场偏转中 的损失会加大 UH将下降 常用形状效应因子f l b 对加以修正 blIBfKU HH 图给出元件尺寸l b与f l b 的关系曲线 3 控制电极对霍尔电势控制电极对霍尔电势 UH的短路作用的短路作用 0 51 0 x l UH x mV b l 4 b l 2 b l 1 200 50 100 150 0 当控制电极的接触面积与其所在侧面的面积 bd 相比较 大时 对UH有短路作用 使部分电荷与其对面感应的部分 相反电荷中和 离控制电极越近 UH下降大 以沿l方向自左向右为x轴 测量UH x 如图 0 和 1 0 两点UH最小 l 2 处有最大值 得到不同宽长比时的曲线 所以 这提示设计元件时 应尽量减小短路作用 167 五 总之五 总之 分析可知 控制电流 或磁场 方向改变时 UH的方向也将改变 但同时 改变方向时UH方向不变 当材料和几何尺寸确定后 大的元件 其 并不一定比 小的元件大 因UH的 大小正比于控制电流I和磁感应强度B 低的元件可在较大 下工作得到较大的 霍尔元件在I恒定时可用来测量磁场 B恒定时检测电流 当元件在一个线性梯度磁场中移动时 输出霍尔电势反映了磁场变化 可测微小位移 压力 机械振动等 4 1 2 霍尔元件的结构与特性霍尔元件的结构与特性 一 结构一 结构 1 霍尔片的结构可分为体型和薄膜型两种 霍尔片的结构可分为体型和薄膜型两种 一般几何结构成宽比为 2 作四个电极 a b 为输入端 c d 为输出端 为克服 a b 电极的短路作用 加工为图 b 元件的厚度越小 灵敏系数越大 所以制备成薄膜型器件 如图 c 一般蒸发法制备的硅薄膜皆为多晶 很小 不适合制霍尔元件 外延法生长单晶硅 薄膜霍尔元件 由于 GaAs InAs 的 Eg 较大 熔点低 较大 KH较大 可将 Si 离子注 入 GaAs 制成 n 型 采用低温沉积 SiO2包封 经光刻 腐蚀 焊引线 制备出高灵敏器件 a b c d ab c d c d a b 绝缘基片 霍尔片 a 体型 b 改进型 c 薄膜型 图 霍尔元件结构示意图 168 2 外形 结构和符号 如图 外形 结构和符号 如图 由霍尔片 四根引线和壳体组成 矩形单晶薄片 为 4 2 0 1 3 长度方向端面上 两根引线 a b 线称为控制电流端引线 用红色导线 另两侧端面中间以点对称焊有两根霍 尔输出引线 c d 线 用绿色导线 壳体是用非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装 c 符号 UH RL 负载 R E d 基本电路 b 结构 a 外形 a a b b c c d d ab c d 二 二 主要技术参数主要技术参数 1 输入电阻Rin 在室温 零磁场下 控制电流电极端子之间的电阻 2 输出电阻Rout 在室温 零磁场 无负载情况下 输出电极间的电阻 3 额定控制电流IC 在B 0 时 25 静止空气中 产生的允许温升 T 10 时输入 的电流 最大允许控制电流最大允许控制电流Icm受元件的最高允许使用温度Tj的限制 可通过Tj时电损耗等于 散热的条件 计算出Icm 2TdbI scm l b d和 散热系数 s T Tj T 室温 一般锗元件Tj小于 80 硅元件 Tj小于 175 砷化镓Tj小于 250 4 乘积灵敏度KH 指在单位控制电流IC和单位磁感应强度B的作用下输出端开路时测得的霍尔电压 其 单位为 V A T 表达式 dd R K H H 越大 或d越小 KH就越高 5 磁灵敏度SB 指在额定控制电流IC和单位磁感应强度B的作用下输出端开路时的 169 霍尔电压UH 表示为 单位为 V T BUS HB 6 不等位电势UM 指当额定的控制电流IC B 0 在输出电极间仍有一定的电位差 因输出电极焊接不良或材料厚度不均匀等造成两个输出电极不在同一等位面上 UM R Icm E 等势面 ab c d UM 其测量电路如图 可看出 UM电势有方向性 随控制电流的方向改变而改变 7 霍尔电压温度系数 指在一定的B和控制电流IC的作用下 温度每变化 1 时 霍尔电压UH的相对变化率 其单位是 三 霍尔元件的电磁特性三 霍尔元件的电磁特性 霍尔输出电势 霍尔输出电势 与控制电流与控制电流 的特性的特性 若磁场恒定 一定温度下 与 间呈线性关系 如图 0 20 40 60 U H mV I mA 10203040 N型锗 HZ 123 型 N型锗 HZ 4 型 直线的斜率称为控制电流灵敏度kI 说明KI UH I恒定 可得KI KHB 但 大的元件 其 并不一定比 小的元件大 因 低的元件可在较大的 下工作得到较大的 由于建立 所需时间极短 约 10 12 10 14s 因此交流电频率可高达几千兆赫 且信 噪比较大 与直流控制电压与直流控制电压 U 间的关系特性间的关系特性 若给元件两端加上一个电压源 U 元件上流过的电流为 l Ubd R U I 170 霍尔输出电压为 b l BUf l b b l IBfKU HH 与U 元件的几何宽长比b l成正比 但这与几何因子的趋势相反 应选择适当 一般为 2 霍尔 霍尔 与磁场 恒定或交变 与磁场 恒定或交变 间的关系特性间的关系特性 当控制电流恒定时 霍尔元件的开路 输出随 B 增加并不完全呈线性关系 见图 只有当 B 开启 阈值时 驱动触发器翻转输出高电平使 T5 T8导通 成为开状 态 当磁场减弱时 UH较小放大后0 且UH值增到使T1因基极电位升高而导通 T 2因基极电位降低而截止 使原来饱和导通的T3截止 截止的T4进入饱和 触发器从一个稳态翻转到另一个稳态 且翻转因T3和T4的正反馈而加快 产生很陡的矩形输出波形 实现了整形 Uc4变为低电 平 使T5至T8截止 称为关状态 当磁场再减弱到T2又导通时 或T1截止T2导通 再次翻转输出高电平 晶体管导通 这样一次磁场强度变化 使传感器完成一次开关动作 2 工作特性曲线 外加磁场与传感器输出电平的关系 如图 看出 当外加B高于BOP时输出电平由高 变低 处于开态 当外加B低于BRP时输出电平由低变高 传感器处于关状态 有一定的 175 磁滞BH 对开关动作的可靠性非常有利 3020T a 外形 1 2 3 12V R 2K 输出Uout b 应用电路 图中BOP为工作点 开 的磁感应强 度 BRP为释放点 关 磁感应强度 UGN3075开关型霍尔集成传感器是 一种双稳态型传感器 又称为锁键型传感 器 其工作特性曲线如图4 1 18示 当B 超过工作点时其输出为导通状态 而在磁 场撤消后输出仍保持不变 必须施加反向 磁场并使之超过释放点 才能使其关断 UOUT V BH B KG 0 UOH UOL UOUT V 0 OFF ON BOPBRPBHB KG UOH UOL 图 4 1 17 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线 图 4 1 18 双稳态型传感器的工作特性曲线 二 霍尔线性集成传感器二 霍尔线性集成传感器 输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系 1 结构和工作原理 一般由霍尔元件 放大器和射极跟随输出器组成 在实际设置稳压 电流放大输出级 失调调整和线性度调整等电路 因此霍尔线性传感器广泛用于位置 力 重量 厚度 速 度 磁场 电流等的测量或控制 有单端输出和双端输出两种 图4 1 19 4 1 20给出单端输出 双端输出线性型霍尔集 成传感器的电路框图 1 5 6 7 2 地 稳压 4输出 3输出 H 1 3 稳压 176 地2 输出 H D1 R1 H Vcc R1 R7 R3 R2 R6 R4 R5 T1 R7 R6 R5 R4 R2 R8 T6 T5 T4 T3 T6 T5 T4 T3 T2 T2 T1 输出 输出 图 4 1 20 双端输出线性型霍尔集成传感器 2 线性型霍尔集成传感器的主要技术特性 输出特性见图 看出 输出电压随B的增加而增加 在一定的范围内成线性关系 其 非线性可能与如引线和霍尔元件的接触等工艺 放大电路的线性程度等等有关 实际应用 中应加上线性化处理后再用于检测 5 6 4 6 3 6 2 6 1 6 0 3 0 2 0 100 10 20 3 输出电压 Vout V 磁场强度B T 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0 04 0 080 16 0 20 0 24 0 28 0 32 R 15 R 100 磁感应强度 B T 输出电压VOUT V R 0 图 4 1 21 单端输出特性 图 4 1 22 双端输出特性 4 1 4 霍尔器件的应用 霍尔器件的应用 既可测量磁物理量及电学量 还可转换测量其它非电量 有高斯计 大电流计 功率 计 位移传感器 微波功率计 磁带或磁鼓读出器 霍尔电机 等等 下面举几个例子 一 霍尔元件的应用 1 位移测量 一 霍尔元件的应用 1 位移测量 177 图 a 在 B 相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件 NS NS I B X 0 a 传感器磁路结构示意图 b 磁场变化 X 当元件的I恒定不变时 UH与 B 成正比 若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 dB dx为一常数 则当沿x方向移动时 UH 的变化为 K dx dB IR dx dU H H KXU H 式中 K 为位移传感器输出灵敏度 磁场梯度越大 灵敏度越高 梯度越均匀 输出线性度越好 当x 0 时 元件位于磁场中间位置上 UH 0 元件在此位置受到大小相等 方向相反 磁通作用的结果 可用来测量 1 2mm 的小位移 其特点是惯性小 响应速度快 无接触测 量 还可以测量其它非电量 如力 压力 压差 液位 加速度等 2 在转速测量上的应用 2 在转速测量上的应用 工作原理 将永磁体按适当的方式固定在被测轴上 如图 霍尔元件置于磁铁的气隙 中 轴转动时霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息 将霍尔元件输出电压经后续电路 处理 便可得到转速的数据 图 4 1 24 霍尔效应测量转速电路 一 N S 霍尔元件 0 UH t 度 2 H 178 霍 尔 元 件 S N 0 VH mV t 弧 度 H 图 4 1 25 霍尔效应测量转速电路 二 3 功率测量 功率测量 图 4 1 26 是直流功率计电路 采用 N 型锗霍尔元件 RL为负载电阻 若外加磁场正 比于外加电压U 表示为 k1为与器件材料 结构有关的常数 UkB 1 则霍尔电压UH为 12 LH HH I BR URK K IUK dd P U B R RL 霍尔元件 I UH 给伏特表刻上功率刻度 做成直读式功率计 适用于直流大功率的测量 较为有利 测量误差 小于 1 功率测量范围可从微瓦到数百瓦 优点 输出和输入间相互隔离 稳定性好 精度高 结构简单 体积小 寿命长 成本低廉 4 在无损探伤中的应用 4 在无损探伤中的应用 原理 在外加 B 作用下 当铁磁材料中无缺陷时 磁力线绝大部分通过铁磁材料 材 料内部的磁力线均匀分布 当有缺陷存在时 由于缺陷的磁导率远小于铁磁材料的 致使 磁力线发生弯曲 且有一部分磁力线泄露出材料表面 采用霍尔元件检测该泄露磁场 B 的 信号变化 就能有效检测出缺陷的存在 无损探伤装置结构 主要由激励源 探伤元件 可调整式探头等 S N SN 179 图 4 1 27 无缺陷磁料中磁力线的分布 图 4 1 28 有缺陷磁料中磁力线的分布 二 霍尔开关集成电路的应用二 霍尔开关集成电路的应用 一 常用霍尔开关集成电路的负载接口电路 霍尔开关集成电路的输出是射极接地 集电极开路的晶体管电路结构 直接与晶体管 晶闸管和逻辑电路相耦合 用途非常广泛 转速和里程的测定 点火系统 按钮开关 电 流的测定与控制 位置及角度的检测等等 J Ucc Ucc J Ucc1 Ucc Ucc Ucc1 Ucc UccUcc1 RL Uout MOS UDD 霍尔开关 集成电路 二 下面列举几个应用实例 1 霍尔计数装置 图4 1 30给出钢球计数的工作示意图和电路图 SL3051霍尔开关集成传感器能感受到 很小的磁场变化 可对黑色金属零件的有无进行检测 a 工作示意图 b 电路图 钢球 绝缘板 磁铁 霍尔开关 传感器 N S IC A741 S 计 数 器 12V SL3051 C1 22 R1 R3 R2 R4 R5 RL T 2N5812 5V 470k 470 1k 11k 10k 当个钢球运动到磁场时被磁化 其后运动到SL3051时 传感器可输出峰值为20mV的 峰值电压 经放大器IC放大后 驱动晶体管T工作输出低电平 钢球走过后传感器无信号 180 T截止输出高电平 即每过一个钢球会产生一个负脉冲 计数器便计一个数 并可加显示 器进行显示 2 霍尔汽车点火器 1 传统的汽车点火装置 利用机械装置使触点闭合和打开 在点火线圈断开的瞬间 感应出高电压供火花塞点火 易造成开关的触点产生磨损 氧化 使发动机性能变坏 也 使发动机性能的提高受到限制 2 图示霍尔汽车点火器的结构示意图 霍尔传感器采用SL3020 在磁轮鼓圆周上按磁性交替排列并等分嵌有永久磁铁 当磁轮鼓转动时 磁铁的N极和S极交替地在霍尔传感器的表面通过 便输出一串脉 冲信号 被积分后触发功率开关管 使它导通 点火线圈中便产生15KV的感应高电压 以点燃使发动机的转动 S S S S S S S S N N N N N N N N 开关管 E 火花 塞 SL3020 磁轮鼓 优点 优点 如由于无触点 使用寿命长 由于点火能量大 气体燃烧充分对大气的污染明 显减少 由于点火时间准确 可提高发动机的性能 使用寿命长 由于点火能量大 气体燃烧充分对大气的污染明 显减少 由于点火时间准确 可提高发动机的性能 三 霍尔线性集成传感器测量磁感应强度三 霍尔线性集成传感器测量磁感应强度 图4 1 32为磁感应强度测量仪的电路 采用SL3501M霍尔线性集成传感器 SL3501M A C1 1000p RP110k 8 134 567 R1R2 RP2 S 100 A 20 47 47 2 输 出 UH正比于B 使用时要使传感器的正面面对磁场 可 181 测B 在磁感应强度为0 1T时是1 4V 该测量仪的线性测量范围的上限为0 3T RP1用来调整表头量程 RP2用于调零 C1是为防止电路间的杂散交连而设置的低通滤 波器 4 2 半导体磁阻器件半导体磁阻器件 4 2 1 磁阻效应 磁阻效应 当半导体片受到与电流方向垂直的磁场时 出现电流密度下降和电阻率增大的现象 将外加磁场使电阻变化的现象称磁阻效应磁阻效应 从原理上可分为物理磁阻效应和几何磁阻效应两种 一 物理磁阻效应 1 定义及解释 一 物理磁阻效应 1 定义及解释 有电流的霍尔片在与其垂直的磁场中电阻率增大的现象 x方向 是互相垂直的 这现象又称横向磁阻效应 横向磁阻效应 因为外磁场与外电场方向 通常将磁场引起的电阻值变化称为磁阻磁阻 解释解释 载流子的漂移速度载流子的漂移速度由热力学统计物理学知服从统计分布规律 当有电流的霍尔片在与其垂直的磁场中产生了霍尔电场且BvqqEH v为平均速 度 FL和 FE共同作用下 只有速度正好为v的载流子 运动方向才不发生偏转 而速度大 于或小于v的运动方向都发生偏转 速度 v的会向下偏 反之亦然 图直线 2 和 3 的方向 a 空穴 b 电子 3 1 2 Bz Bz x Vxe EH Vxp EH 载流子偏转的示意图 182 x方向 未加磁场之前的电流方向 的电流密度减小 运动方向变化的直接结果是沿着 但合电场会使其加速 因微观散射使电子速度加速到一定值后又减小 再加速后再减 小 结果呈现圆弧变化 2 定量描述 用电阻率的相对改变 磁阻的变化 00 0 B 若用电导率表示 则有 00 00 0 0 0 1 1 1 B B BB 1 当磁场不太强 即 HBZ 1 时 电阻率可达饱和 磁阻也达到最大值 磁阻比 0为常数 3 当两种载流子均计入时 即使不计载流子速度的统计分布 也显示横向磁阻效应 如图 当 BZ 0 当磁场 BZ时 电子和空穴沿 y 方向电流均不为零 由统计规 律知和向相反方向偏转 但合成电流仍沿外加电场方向 因而总的合成电流减小 相当于电导率减小 电阻率增大 pn JJJ n J p J J 183 Jp J Jn a Bz 0 Jp J Jn b Bz 0 Bz Ey 图 4 2 2 两种载流子的运动 二 几何磁阻效应二 几何磁阻效应 1 定义 在相同 B 下 半导体片几何形状不同 内部电流分布受外磁场作用而发生 变化 出现电阻值不同变化的现象 2 解释 图中长方形半导体片的电流端 因 EH受到电流电极短路作用而减弱 电子受 到 FL而发生偏斜 电流方向发生偏斜 中间部分 EH不受电流电极短路作用 电子受 EH作用 及 FL达到平衡 运动方向不发生变化 但合电场 E 因受 EH作用而发生偏斜 与电流方向夹角是霍尔角 当半导体片长度减小 不受影响的区域变小 EH受短路作用更为显著 几何磁阻效应 也较显著 图示出几何磁阻效应的实验结果 长宽比越小 几何磁阻效应越强 B T 0 5 10 15 20 0 20 40 6 0 8 1 0 I I I E J E E J E0 0 J J Bz 0 R RB I 图 4 2 3 J 与 E 的方向关系 图 4 2 4 几何磁阻效应的实验结果 3 理论计算 1 在弱磁场时 磁阻比为 0 RRB 1 2 00 tgg R R BB g 为弱磁场下样品的形状系数 为霍尔角 形状系数g与l b的关系如图 l b值越小 g值越大 即短而宽的半导体片的几何磁 阻效应较大 184 g l b 0 0 5 1 0 123 2 4682 2 4 6 l b G 0 弱磁场下 g 与长宽比l b的的关系曲线 强磁场下形状系数 G 与长宽比 l b 关系曲线 2 中等磁场时 磁阻比 0 RRB 1 00 nBB tgg R R 式中 1 n 2 由于 tg 与磁场成正比 中等值时 tg 1 磁阻比随磁场的加强均非线性 增加 且l b大的 g 较小 相同 B时 RB变化小 增加慢 3 在强磁场时 磁阻比为 0 RRB 00 tg l b G R R BB 式中G为强磁场样品的形状系数 与长宽比l b的关系曲线 G的最大值是 1 最小值是负 无限大 G 随l b增加 但只要形状一定 G 一定 第二项随磁场的加强而线性增加幅度更 大 总的结果增加的 相同 B 时 l b大的 G 也大 磁阻增加快 4 2 2 磁阻元件 一 长方形磁敏电阻元件 4 2 2 磁阻元件 一 长方形磁敏电阻元件 1 长方形磁敏电阻元件的结构图 l b 两端制作上电极构成两端器件 d b l 2 确定几何形状的磁阻元件 在外加磁场 作用下 物理磁阻效应和几何磁阻效应 同时存在 3 长方形磁敏电阻元件 1 弱场时的磁阻比为 1 2 0 Bm R R s B ms为磁阻平方系数 mx g R 2 H 0 2 x 0 则磁阻平方灵敏度为 d R g b l Rm B RR S H ns B s 0 2 0 185 是常数 mx只与形状系数 g 有关 SS与 l b 和 d 有关 2 强场时 磁阻比为 000 B R l b G R R HBB 将 bd l R 00 则 B d R GRR HB B 0 0 因为强场时物理磁阻效应不显著 0 B 为常数 RH与 B 无关 在强磁场条件下 磁敏电阻 RB与 B 就成正比关系 二 栅格型磁敏电阻 高灵敏电阻 二 栅格型磁敏电阻 高灵敏电阻 1 结构 在长方形磁敏电阻的长度方向上沉积许 多金属短路条 将它分割成宽度都为b l l b 1 的许多子元件 结构如图 短路条 电极 2 器件的总零磁场电阻 Ron S l nL nRRon 00 1 有磁场电阻 RBn 1 nRR BBn n 为短路条的根数 l 为金属条宽 可忽略 1 弱磁场时磁阻平方系数 磁阻平方灵敏度 sn m sn S snnsn xHsn mRS Rgm 0 22 0 0 g 为子元件的形状系数 g 增强了很多 则 msn增大 msn增加 2 较强磁场时 它的线性灵敏度 ln S H B n on B R d n dB d GR R dB dR S 1 1 0 0 ln 线性区 3 磁场很强时 B达到饱和 可视为常数 上式简化为 d R nS H 1 ln 186 三 科宾诺元件 三 科宾诺元件 结构如图 中心部分有一个圆形电极 盘的外沿是一个环形电极 两个电极间构成一 个电阻器 两个电极间有电流流动 因磁场作用而发生弯曲使电阻变大 在电流的横向 电阻是无头无尾的 霍尔电压无法建立 或者说霍尔电场被全部短路 掉 几乎延电场 E0方向的每个载流子都在磁场下作圆周运动电阻会随磁场有很大的变化 如内电极半径和外电极半径分别为 r1和 r2 则无电场时半径 r2处的电阻为 ln 12 rrRR s 4 2 18 式中 Rs是薄层电阻 r1受工艺条件限制 可视为一个常数 a 无磁场 I b 有磁场 I B 图 4 2 9 科宾诺元件 电场与无磁场时相同还呈放射形 电流和半径方向形成霍尔角 表现为涡旋形流动 可获得最大磁阻效应的一种形状 其磁阻效应与长方形元件的l b极限为零的情况相同 磁阻效应关系式 22 0 2 0 2 0 0 1 1 1 BRRtgRR HB 为磁阻率系数 四 InSb NiSb 共晶磁阻元件 四 InSb NiSb 共晶磁阻元件 特点是在 InSb 的晶体中掺有 NiSb 在结晶过程 中会析出 NiSb 针状晶体 都沿着一定方向排列 导 电性能良好 其直径为 1 m 长度为 100 m 左右 由于 NiSb 在 InSb 中平行整齐可将它看作栅格金属条 NiSb针状晶体 RB R0 5 5 10 15 20 10150 D L N 图三种元件的磁阻效应 其中未掺杂的 InSb NiSb 磁阻元 件叫 D 型 掺杂的 InSb NiSb 的磁阻元件叫 L N 型 从图中 看出 掺杂磁阻元件灵敏度下降 但温度特性得到改善 B KG 187 4 2 34 2 3 磁敏电阻的温度补偿 磁敏电阻的温度补偿 InSb 磁阻元件是一种受温度影响极大的材料 由图可知 材料的磁场灵敏度越高 受 温度的影响也越大 因此 必须根据用途进行有效的温度补偿 实际使用时采用两个磁敏 电阻串联或一个热敏电阻与磁敏电阻串联的方式进行温度补偿 另电路如图 恒 定 电 压 源 r1 r1 r2 r2 RM RM 输出 RB R0 25 1 40 10 102 60 B 0 200 2080 100 120 D L N T 图 4 2 12 磁阻对温度的关系 图 4 2 13 差动式元件的温度补偿 4 2 4 磁敏电阻的应用 一 非接触式交流电流监视器 4 2 4 磁敏电阻的应用 一 非接触式交流电流监视器 如图非接触式交流电流监视器电路 采用半导体磁敏电阻 MS F06 100 至 1000 倍放大 器 A1 的 输出可接万用表 2V 20A 交流档 只要把传感器靠近被测的交流电源线 则传感 器就会输出与电流大小成比例的电压 其具体接法如图 4 2 15 所示 MR1 MR2 IC1 R1 R2 C1100 F 30 20 V 10uF 4 3k Uout 358 MS F06 78005 9V 9 1 2 3 4 C2 R3 9V RP1 R5 20 2 k k R4 2 A 358 A1 510k k k AC电流 100mA 50HZ MS F06 铜线 5V Uout 图 4 2 14 非接触式交流电流监视器电路 188 二 电机转速测量电路 二 电机转速测量电路 FP17L200E MR a 105P 1K 3 3K 5K RP 3 3K 220K TA75458 b 输出 Eb VCC VCC 12V NOS 磁 铁 转 子 图是采用磁敏电阻测量电机转速电路 a 点 电压随 B 而改变 用交流运放放大 a 点的变化 电压 可获得与转速随时间变化趋势相同的信 号 在运放的输出端接入示波器或计数器 就 可测量电机的转速 4 3 结型磁敏器件 所谓结型磁敏器件 是指包含 PN 结的磁敏器件 主要指磁敏二极管和磁敏三极管 这种磁敏器件的 主要工作原理并不是 PN 结本身与输入外磁场有什么必然的联系 而是器件的某些性能对输入外磁场非 常敏感 比霍尔器件灵敏度高 应用也非常广泛 下面分别介绍 4 3 1 磁敏二极管 4 3 1 磁敏二极管 磁敏二极管是继霍尔元件和磁阻元件而后发展起来的一种新型半导体磁敏元件 灵敏度很高比霍尔 器件的大 100 倍 其结构是一种 PIN 型二极管 可以称为结型二端器件 一 磁敏二极管的结构和工作原理 一 磁敏二极管的结构和工作原理 磁敏二极管 SMD 的结构如图 4 3 1 所示 磁敏二极管的两端分别为高掺杂的 P 区和 n 区 在 p n 区之间有一个较长的本征区 I 本征区的长度大于载流子的扩散长度 因此有时又将它称为长基区二 极管 在施加正向偏压时 p I 结向本征区注入空穴 n I 结向本征区注入电子 所以人们又称其为双 注入长二极管 本征区 I 的一面磨成光滑的复合表面 为 I 区 另一面用扩散杂质或喷砂的办法制成 高复合区 称为 r 区 其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失 PN I r区 图 4 3 1 磁敏二极管结构示意图 当磁敏二极管未受到外界磁场作用时 且施加正偏压 如图 4 3 2 a 则有大量的空穴从 p 区通 过 I 区进入 n 区 同时也有大量的电子从 n 区通过 I 区进入 p 区 形成电流 在 I 区只有少量的电子和 空穴被复合掉 当磁敏二极管受到外界磁场 B 正向磁场 的作用时 如图 4 3 2 b 所示 则电子和 空穴受到洛伦兹力的作用向 r 区偏转 其结果是它们在 r 区的复合使本征电流减小 电阻增大 从而使 189 本征区电压降 r面NP a b c r面NP BZ r面NP BZ 图 4 3 2 磁敏二极管工作原理示意图 增大 相应地在 n I 结和 p I 结上的电压降便减小 从而导致注入载流子再次减小 直至正向电流减 小到某一稳定值为止 当磁敏二极管受到外界磁场 B 反向磁场 的作用时 如图 4 3 2 c 所示 电 子 空穴受到洛伦兹力的作用而偏离高复合区 r 区 电子 空穴的复合率明显变小 则电流变大 I 区 电阻减小 其电压降也减小 相应地在 n I 结和 p I 结上的电压降便增大 导致注入载流子进一步增 加 电流也进一步增大 最后直至电流达到饱和为止 总之 在正向电压下 加正向磁场和反向磁场时 PIN 管的正向电流发生了很大的变化 而且 磁场的大小不同 电流变化也不同 二 磁敏二极管的主要特性 二 磁敏二极管的主要特性 1 磁敏二极管伏安特性 磁敏二极管正向偏压与通过其上电流的关系称为磁敏二极管的伏安特性 如图 4 3 3 所示 从图中 看出 外界磁场的大小不同 其伏安特性曲线将不一样 图 4 3 3 a 为 Ge 磁敏二极管的伏安特性曲 线 其中 B 0 的曲线表示二极管不加磁场时的情况 B 和 B 表示磁场的方向不同 从图中可以看出 输 出电压一定 磁场为正时 随着磁场增大电流减小 说明磁阻增加 磁场为负时 随着磁场向负方向增 加 电流增加 说明磁阻减小 同一磁场下 电流越大 输出电压变化量也越大 图 4 3 3 b c 为硅磁敏二极管的伏安特性 其中图 c 表示这一种磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻特性 即电 流急剧增加的同时 偏压突然跌落 其原因是高阻 I 区热平衡载流子较少 注入 I 区的载流子在未填满 复合中心前不会产生较大的电流 只有复合中心被填满后 电流才开始急增 同时 I 区压降减小 呈现 负阻特性 I mA 0 1 2 3 4 5 246810 0 2T B 0 0 1T 0 1T 0 2T 0 3T U V 6 7 12 14 0 4T I mA 0 1 2 3 4 5 246810 0 2T B 0 0 1T 0 1T 0 2T 0 3T U V 6 7 12 14 0 4T c b a I mA 0 1 2 3 4 5 246810 0 2T B 0 0 1T 0 1T 0 2T 0 3T U V 图 4 3 3 磁敏二极管伏安特性曲线 2 磁敏二极管的磁电特性 在给定条件下 磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性 通常 有单只使用和互补使用两种方式 其磁电特性如图 4 3 4 所示 由图可知 单只使用时 正向磁灵敏度 大于反向 互补使用时 正 反向磁灵敏度曲线对称 且在弱磁场下有较好的线性 190 B kGs U V U V 1 6 1 4 1 0 1 0 1 4 1 6 0 2 1 5 1 0 50 51 1 52 b 互补使用时 0 1 02 0 8 12 16 20 0 4 0 8 1 0 2 0 E 12 V R 3 K T 20 1 2 a 单个使用时 3K R E B T U V 0 2 0 2 0 6 0 6 4 图 4 3 4 磁电特性 温度特性 温度特性是指在标准测试条件下 输出电压变 化量 V 随温度变化的规律如图 4 3 5 所示 显然磁敏 二极 管受温度影响较大 因此 在实际使用中 必须对其 进行 温度补偿 常用的补偿电路有以下四种 互补式 温度 补偿电路 如图 4 3 6 a 所示 差分式温度 补偿 电路 如图 4 3 6 b 所示 全桥温度补偿电路 如 图 4 3 6 c 所示 热敏电阻温度补偿电路 如图 4 3 6 d 所示 图 4 3 5 磁敏二极管温度特性曲 线 图4 3 6 温度 4 磁灵敏 度 种定义方法 电 1 在恒定偏压下 单位磁感应强度作用下 通过磁敏二极管的电流相对变化 称为电流相对磁 灵敏度 用 0 8 0 6 0 4 0 2 20020406080 1 2 3 4 5 I mA U V V T E 6V H 1KG 补偿电路 磁敏二极管 的磁灵敏度有三 流 相 对 磁 灵 敏 度 电压相对磁灵敏度 电压绝对磁灵敏度 SI表示 即 BI I 0 2 在恒定偏流下应强度作用下 磁敏二极管偏压的 II S B0 4 3 1 在单位磁感相对变化称为电压相对磁灵敏 度 用 S 表示 即 V I V BV V S 1 4 3 2 B 即 3 在实用中 为方便起见 一般不用相对磁灵敏度 而采用电压绝对磁灵敏度 S B SB VV 0 4 3 3 b E R1 D1 U1 D2 R2 U2 c E D1 U1 D2 U2 D1D2 a E D1 D2 Um d Ec R1 D2 Um 191 式中 V 分别为磁感应强度 B 0 1T 时磁二极管的电压 区基础上设计和制造的 属于结型磁敏晶体管 也叫做长基区磁敏晶体管 Si 平面 工艺制造的 p n p 型磁敏三极管 其平面俯视图如图 4 3 9 所示 其复合区也是在 be 之间 三极管 二 磁敏三极二 磁敏三极 变 如图 4 3 9 c 所示 显然 磁敏三极管在正 反向磁场作用下 其集电极电流出现明显变化 图 4 3 9 磁敏三极管工作原理示意图 三 磁敏三极管的主要特性 三 磁敏三极管的主要特性 1 伏安特性 V0为无磁场时的电压 4 3 2 磁敏三极管 4 3 2 磁敏三极管 磁敏三极管有 n p n 型和 p n p 型结构 按照半导体材料又可分为 Ge 磁敏三极管和 Si 磁敏三极管 它们都是在磁敏二极管的长基 一 磁敏三极管的结构 一 磁敏三极管的结构 图 4 3 7 a 为 Ge 磁敏三极管的结构示意图 它是在弱 P 型准本征半导体上用合金法或扩散法形 成三个极 即发射极 e 其极 b 集电极 c 在射极和长基区之间的一个侧面制成一个高复合区 r 其电 路符号如图 4 3 7 b 图 4 3 8 为 Si 磁敏三极管的结构示意图 它是在 n 型 Si 衬底上 利用 图4 3 7 n p n 型锗磁敏三极管 结构图 图 4 3 8 硅磁敏 结构和符号图 管的工作原理 管的工作原理 以 npn Ge 磁敏三极管为例 当磁敏三极管不受磁场作用时 如图 4 3 9 a 所示 由于基区宽度 大于载流子的有效扩散长度 因此发射区注入的载流子除少数输入的集电极 c 外 大部分通过 e p b 形 成基极电流 形成了基极电流大于集电极电流的情况 使电流放大倍数 0 时有 BT存在 1 4 管截 193 止 磁桥有输出 VAB 0 并经差分放大器放大后 由表头指示磁场强度 当 B 0 即改变方向时 表头指针 反转 2 无触点开关 图 4 3 15 所示是无触点开关的电路 由四只磁敏二极管组成桥式检测电路 这样可以进行温度补偿 无磁场时 磁敏电桥平衡无信号输出 当磁铁运行到距磁敏二极管一定位置时 在磁场作用下 磁敏电 桥有信号输出 该信号加在 VT1的基极上 使其导通 由于 R1上的压降增高 使晶闸管 VT2导通 继 电器 K 工作 其常开触点 K 1和 K 2闭合 指示灯点亮 控制电路接通 K 控制电路 RP1 1K R1 R2 RP2 1K 3W 22K VT1 3AX31 VT2 3DT2K VD1 2CP12 2CW21H VD4 VD2 2CW21H VD32CP22 220V K 1 K 2 6V 4 2ACM 36V VD3 2CP22 36V 图 4 3 15 无触点开关的电路 3 无触点电位器 一般电位器在使用时由于触点的原因 常产生噪 声信号 而且寿命不长 使用磁敏元件制作的无触点电 位器则可克服上述缺点 图 4 3 16 是无触点电位器的 结构示意图 其中磁敏元件可使用磁敏二极管或霍尔线 性传感器 将磁敏元件放置在单个磁铁的下方或两个磁 铁之间 当旋动电位器手柄时 磁铁跟着转动 从而使 磁敏元件表面的磁感应强度也发生变化 这样 磁敏 元件的输出电压将随着手柄的转动而变化 图 4 3 16 无触点电位器的结构示意图 起到电位调节的作用 N N N S S 磁敏元件 a 单磁铁 b 双磁铁 S 4 4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 因为铁磁体具有很小的温度系数 性能稳定 灵敏度高 且制备工艺简单 所以铁磁性金属薄膜磁 阻元件是一种很有前途的磁敏元件 4 4 1 铁磁体中的磁阻效应 4 4 1 铁磁体中的磁阻效应 在铁磁材料中存在两种磁阻效应 一种是电阻率随着磁场强度的变化而变化 但与磁场方向无关 另一种是铁磁材料电阻率的变化与电流密度和磁场 J B的相对取向有关 称为磁电阻各向异性效应 作 为磁敏元件所利用的是后一种效应 此时铁磁材料的电阻率 可表示为 2 2 CosSin 4 4 1 式中 为电流方向与磁场方向互相垂直时材料的电阻率 为电流方向与磁场方向互相平行时材料的 194 电阻率 为电流方向与磁场方向的夹角 磁阻效应的大小由下式表示 0 0 4 4 2 式中 0为零磁场时材料的电阻率 理论研究认为 磁电阻各向异性效应与自发磁化强度在晶体内的取向和铁磁体内不同磁相体积浓度 分配有关 4 4 2 铁磁薄膜磁敏电阻的结构与工作原理 4 4 2 铁磁薄膜磁敏电阻的结构与工作原理 铁磁薄膜磁敏电阻的结构如图 4 4 1 a 所示 器件是由两个几何结构及性能完全一样的磁敏电阻 单元互相垂直排列组成的 图中 a b c 表示电极 由图 4 4 1 b 看出 a 和 b 电极间的电阻率用 y 表示 b 和 c 电极间的电阻率用 X 表示 a b c a 几何结构 I0 I b B a c V0 x y I b 工作原理 图 4 4 1 铁磁薄膜磁敏电阻结构与工作原理 外加磁场 B在 xy 平面内与 y 轴成 角 则 x 和 y 可分别表示为 2 2 SinCos x 4 4 3 2 2 CosSin y 4 4 4 若电源电压为 V0 则由 b 电极输出的电压 V 为 0 0 0 2 2 2 V CosV VV yx x 4 4 5 上式说明输出电压只与 角有关 而与磁场的大小无关 铁磁薄膜磁敏电阻通常采用真空蒸发薄膜工艺制造 电阻图形 设计成迂回状是为了获得较高的电阻值并使器件小型化 我国生产 的铁磁金属薄膜磁敏电阻除图 4 4 1 的三端分压型外还有四端桥 形 其几何结构类型如图 4 4 2 所示 图 4 4 2 强磁性金属膜四端磁 敏电阻结构 a c d b A B C D 4 4 3 铁磁薄膜磁敏电阻的技术性能及特点4 4 3 铁磁薄膜磁敏电阻的技术性能及特点 典型的三端型技术性能 全电阻最小值 500 最大值 5000 典型值 1400 中点电压最小值 2 45V 最大值 2 55V 典型值 2 5V 输出电压峰值最小值 60mV 典型值 80mV 消耗功 率 150W 195 四端桥型技术性能 全电阻最小值 1000 最大值 5000 典型值 2500 中点电压最小值 2 45V 最大值 2 55V 典型值 2 5V 输出电压峰值最小值 120mV 典型值 160mV 消耗功率 300mV 铁磁薄膜磁敏电阻与其它磁敏器件相比 具有以下优点 其灵敏度高且有选择性 它比霍尔器件的 灵敏度高 1 2 个数量级 而且灵敏度具有方向性 磁场与金属膜平时时 灵敏度最好 磁场与金属膜垂 直时 则无磁敏特性 温度特性好 电阻值 输出电压与温度成线性关系 容易进行温度补偿 频率特 性好 由理论分析知 保持铁磁薄膜磁敏电阻输出信号不变的截止频率是强磁性共振频率 但实际上频 率小于 10MHz 就可保持输出不变 倍频特性 从 4 4 5 中看出 输出电压的频率正好等于磁场施转 频率的 2 倍 输出电压波形是正强波 具有良好的倍频特性 饱和特性 当磁场强度小于临界磁场强度 Hs 时 电阻率与磁场有关 当磁场强度大于 Hs 时 电阻率达到饱和 显然 在饱和情况下检测磁场方 向不用另外的限幅器即可获得稳定的输出 4 5 新型磁传感器 随着信息产业 工业自动化 交通运输 电力电子技术 办公自动化 家用电器 医疗仪器等等的 飞速发展和电子计算机的普及应用 需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量 转换成可与计 算机兼容的讯号 作为它们的输入信号 这就给磁传感器的快速发展提供了机会 形成了相当可观的磁 传感器产业 90 年代是已发展起来的这些磁传感器的成熟和完善时期 下面我们将简要介绍几种新型的 磁传感器 4 5 1 4 5 1 MOS 磁敏器件磁敏器件 CMOS 磁敏器件在灵敏度 线性度和功耗等性能方面大大优于体型结构 并与普通 IC 工艺相兼容 能方便地与其它 CMOS 功能电路集成在一起 拓宽其应用范围 因而日益受到人们的重视 CMOS 磁 敏器件具有类似于 MOS 差分放大器结构 它具有如下特点 1 两只互补的 MOS 晶体管由两只劈裂漏极MOS 晶体管 简称 SD MOSFET 替代 结构如图 4 5 1 所示 2 劈裂漏极相互交叉连接 当加上垂直于器件表面的磁场时 两 只劈裂漏极 MOS 管中的电流会受到影响 由于洛伦兹力作用使载流子 运动发生偏离 导致一个漏极电流增加 而另一个漏极电流减小 晶体 管电流增加的漏极与一只配对晶体管电流下降的漏极相连 反之亦然 由于这种相互交 图4 5 1 两只互补SD MOSFET的 和动态负载技术 漏极电流的较小变化就会引起 CMOS磁敏