第9章_半导体磁敏传感器

1、第九章半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器在各种传感器中，磁敏传感器是使用得较早的一种，指南针便是最古老的磁敏传感器。电流通过线圈时，在线圈周围产生磁场，若线圈中的磁通量发生变化，则线圈产生感应电动势，这就是磁电感应现象。因此线圈是将磁量变成电量的最简单的磁电转换元件。如果将磁场加到半导体等材料上，材料的电性质就发生变化，这就是磁电效应。凡是利用磁电效应构成的传感器称为磁电式传感器或磁敏传感器。半导体磁敏传感器是半导体传感器的一种，如霍尔元件、磁阻元件、磁抗元件、磁敏二极管和磁敏三极管。qvBFlBvqFlelFF bdvnqI nqdIBUHnqRH1dRSHHIBSdIBRUHHH0)(iPR

2、R0iPRR)(1 )(1 0000ttRRttURUoLHLL0)(0ttddUL）（10oLRR)1 ()(0tRRi一、磁阻效应与磁阻元件磁阻器件类似于霍尔器件，当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会产生霍尔效应引起的霍尔电势，而且还会出现半导体电阻率增大的现象。这种现象称为磁阻效应(或称为高斯效应)。磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元件，这种元件的电阻值能够随着

3、磁场的增加而增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄，它是在0.10.5mm的绝缘基片上蒸镀上约2025m的一层半导体材料制成的，也有在半导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻，将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSbNiSb(共晶型)和薄膜型等。二、磁阻元件的主要特性一般地如果金属栅条之间的距离不是非常接近，那么在弱磁场B作用下，即tg1时，元件的电阻变化呈线性特性，用下式表示BSGRMBGRRL

4、B00)(二、磁阻元件的主要特性 (1)电阻变化与磁感应强度的关系。因材料不同，磁阻相对变化与磁感应强度B的变化关系如图9-14所示。L和D为不同掺杂的InSb-NiSb。由图可知磁感应强度小于0.3T时，电阻变化与磁感应强度成平方关系；当大于0.3T时则成线性关系。(2)相对灵敏度Sr。磁敏电阻的相对灵敏度是磁感应强度为0.3T(或1T)时电阻值RB与零磁场电阻值R0之比，即Sr= RB / R0 。(3)温度特性。磁敏电阻材料是一种受温度影响极大的材料，温度系数和磁场的关系如图9-15所示。 (4)标称阻值及额定功率。磁敏电阻大部分和半导体电路配合使用，电阻为50500的元件已满足需要。磁

5、敏电阻的额定功率在环境温度低于80OC时为几毫瓦。三、磁阻元件的应用从应用来看，磁阻元件具有两种功能，一是具有本身电阻可改变的功能，另一是和电流结合起来实现乘法运算的功能。同时磁阻元件的电阻变化有平方特性和线性特性，流过磁阻元件的电流可以是交流的，也可以是直流的，因此可进行不同的组合，应用范围相当广泛。下面介绍几个在测试技术中常用的例子。三、磁阻元件的应用 (1)磁通计。用比例型磁阻元件制作的磁通计能够直接读出磁通密度，一般用于磁通密度大于0.3T以上的测量。磁阻效应磁通计特别适宜于测量密度较高的脉冲磁场，还可用于测量超导磁体。高灵敏度磁通计是利用两个平方特性的磁阻元件在弱磁场作用下具有很高灵

6、敏度这一原理制成的一种磁通计。(2)位移计。图9-16所示是一个利用差动式磁阻元件的电压分压比随永久磁铁的位置而变化的性质制作的位移传感器。如果将永久磁铁和磁阻元件配置成圆形，则不仅可测出直线位移，还可模拟检测出转角。 三、磁阻元件的应用(3)无触点点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时会使元件阻值增大，再根据需要将信号放大或直接驱动晶体管，就可以实现无触点开关功能或计数功能。电路如图9-17所示。 磁敏二极管和磁敏三极管是由锗或硅半导体材料制成的，其中二极管具有长基区的P+一i一N+型的二极管结构，磁敏三极管则是具有双极型晶体管结构的磁电转换元件。(一)结构原理磁敏二极管是利用电子和空穴双注入效应

7、和复合效应原理制成的元件。磁敏二极管的两端是高掺杂的半导体P+和N+，中间是一个较长的本征半导体i，它不像普通二极管的P型和N型半导体直接接触，在接触面附近形成PN结。磁敏二极管的P+型和N+型半导体不直接接触。因此它又叫P+一i一N+型长二极管，其结构符号和工作原理如图9-18所示。(一)结构原理这种二极管的特点是在长基区(i区)的一侧设置了载流子高复合区r，r区对面则是复合速率很低的光滑表面。当元件施加正向电压时，在无磁场情况下，P+区的空穴和N+区的电子分别流入N+区和P+区形成电流，仅有少量电子和空穴在i区复合掉。当加上正向磁场B+时，由于洛仑兹力的作用使电子和空穴偏向r区，并在r区很

8、快复合掉，这时i区的载流子密度减小，使i区的电阻增加，电流减小，i区电压降增大，而P+i结和N+i结上的电压降减小，促使注入i区的载流子数量下降，使i区电流进一步减小，直到某一稳定状态为止。(一)结构原理在反向磁场B+作用下，电子和空穴向r区的对面偏转，复合数量减小，于是i区的载流子密度增加，电阻减小，电流增加，i区的电压降减小，结果P+i结和N+i结上电压降增加，促使载流子向i区注入，直到电阻值减小到某一稳定状态为止。因此磁敏二极管的工作原理就是这种电子和空穴双注入效应和复合效应的结合。由于存在正反馈作用，所以这种元件具有很高的灵敏度。 磁敏二极管只有在正向偏压下，流过二极管的电流随磁场的变

9、化而改变，才具磁敏现象，在反向偏压下因为漏电流很小，所以不出现磁敏现象。(二)磁敏二极管的主要特性 (1)伏安特性。磁敏二极管所加正向偏压与二极管流过电流的关系称为伏安特性，不同磁场作用下，其伏安特性不同。(二)磁敏二极管的主要特性 (2)磁电特性。磁敏二极管输出电压的变化与外加磁场的关系称为磁电特性。(二)磁敏二极管的主要特性 (3)温度特性。磁敏二极管随着温度的变化输出电压发生变化，灵敏度也随之变化，如图9-21所示。(二)磁敏二极管的主要特性(4)频率特性。磁敏二极管相对于磁场和脉冲电源的频率特性取决于载流子在本征区域内的渡越时间，因而频率特性与元件的尺寸大小有关。锗磁敏二极管在50kH

10、z时的灵敏度将下降3dB。硅磁敏二极管的尺寸小，载流子复合时间短，因此频率特性比锗管好，上限频率可达100kHz。(三)磁敏二极管的应用磁敏二极管是一个二端子元件，与磁阻元件类似，但不是纯电阻性的，电阻值和灵敏度随外加电压变化，不符合欧姆定律。采用交流电压工作时要加偏置磁场，以避免在负电压区工作，它能判明磁场的正、反向，对应正、反向磁场输出极性要改变，在弱磁场下与磁场强度成正比；灵敏度高，输出阻抗大，不能直接进行功率控制。磁敏二极管的主要缺点是温度特性、频率特性、电压对磁场的线性、漂移等不如霍尔元件的好，但使用尚不成严重问题。(三)磁敏二极管的应用(1)磁场测量磁场测量。用磁敏二极管制成。用磁

11、敏二极管制成磁通计磁通计，可以测，可以测量小于量小于10-610-7T的弱磁场，例如测量变压器的弱磁场，例如测量变压器漏磁分布、阴极射线管偏转磁场分布等等。磁漏磁分布、阴极射线管偏转磁场分布等等。磁敏二极管的出现使磁力探伤仪测量探头进入实敏二极管的出现使磁力探伤仪测量探头进入实用阶段，实现了导磁材料探伤自动化。用磁敏用阶段，实现了导磁材料探伤自动化。用磁敏二极管还可制成磁电指向仪、磁力探矿仪和地二极管还可制成磁电指向仪、磁力探矿仪和地磁测量仪。磁测量仪。 (2)电流检测电流检测。磁敏二极管可以用于钳形电流计。磁敏二极管可以用于钳形电流计来来测量大电流测量大电流，还可用于电动机过载保护装置，还可

12、用于电动机过载保护装置，当电流超过额定值时，切断电源，防止线包烧当电流超过额定值时，切断电源，防止线包烧毁。毁。(3)位移检测。通过磁铁和磁敏二极管的位移检测。通过磁铁和磁敏二极管的相对距离变化相对距离变化，使得加在磁敏二极管上的磁场强度发生变化从而测量使得加在磁敏二极管上的磁场强度发生变化从而测量位移。因此距离、转速、振动以及能转换成上述量的位移。因此距离、转速、振动以及能转换成上述量的物理量均可用同样的方法无接触地检测。物理量均可用同样的方法无接触地检测。用磁敏二极用磁敏二极管比用线圈可使整个测量系统简单、方便。管比用线圈可使整个测量系统简单、方便。(4)无触点无触点电位器。图电位器。图9

13、-23为为无触点无触点电位器的两种使用形电位器的两种使用形式。图中，式。图中，(a)线路加适当的直流偏置后可获得较高的线路加适当的直流偏置后可获得较高的信号增益，信号增益，(b)线路采用单级场效应管作为可变电位器。线路采用单级场效应管作为可变电位器。(三)磁敏二极管的应用(5)无触点开关。磁敏二极管与施密特触发无触点开关。磁敏二极管与施密特触发器组成开关电路，作器组成开关电路，作无触点开关无触点开关，可用，可用作机床的起动开关、防盗装置、自动线作机床的起动开关、防盗装置、自动线上的计数和控制装置以及工程机械上的上的计数和控制装置以及工程机械上的安全操作控制等。其特点是无触点磨损，安全操作控制等

14、。其特点是无触点磨损，可靠性高，无振动环节，不产生火花。可靠性高，无振动环节，不产生火花。二、磁敏三极管磁敏三极管是在双注入长基区二极管的基础上制成的一种结型磁敏晶体管。 (一)磁敏三极管的结构原理 磁敏三极管分为锗磁敏三极管(如3BCM型)和硅磁敏三极管(如3CCM型)两种。它是在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射区、基区和集电区，和普通三极管一样也引出三个电极，用e、b、c表示。图9-24为NPN型磁敏三极管的结构和符号。像磁敏二极管一样，在长基区的一个侧面制成高复合区r。长基区分为运输基区和复合基区。复合区的体积比从发射极到集电极的运输区的体积大得多。当不受磁场作用时，由

15、于基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子大部分通过eib形成基极电流Ib，少部分载流子被传输到集电极c形成集电极电流Ic。因而形成了基极电流大于集电极电流的情况，使电流放大系数= Ic/Ib1 ，如图925(a)所示。当受到正向磁场B+作用时，由于磁场力的作用，载流子偏向高复合区r一侧，增大了载流子的复合速率，使集电极电流Ic 减小，如图9-25(b)所示。当反向磁场B-作用时，在磁场力的作用下，载流子向集电极c一侧偏转，载流子的复合速率减小，使集电极电流Ic增大，如图9-25(c)所示。由上述分析可知，磁敏三极管的集电极电流Ic随着外界磁场的变化而变化，具有较高的磁灵敏度。(二)主要特性 (1)磁电特性。磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应强度近似为线性关系。(2)伏安特性。磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特性相似，但电流放大倍数1