传感器第四章

1、第四章 磁敏传感器Magnetic field sensors 14.1 霍尔元件 Hall Cell4.2 半导体磁阻器件 Semiconductor magneticresistance device4.3 结型磁敏器件 Junction magnetic device4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 Magnetic-resistance cell of iron metal film 4.5 新型磁传感器 New magnetic sensors 第四章 磁敏传感器 24.1.1 霍尔效应 Hall effect 4.1.2 霍尔元件的结构与特性 structure and charac

2、teristics 4.1.3 霍尔集成电路 Hall integrated circuit 4.1.4 霍尔元件的应用 application4.1 霍尔元件3霍尔元件优点: 输出信号信噪比大、动态范围（UH变化）大； 频率范围宽(一般从直流到数百千赫兹(微波); 结构简单，体积小，坚固且重量轻，使用方便； 无触点，稳定性好，寿命长，可靠性高，易微型化和集成化 因此，在测量、自动化技术、信息处理等广泛应用。缺点:转换效率低，受T影响大，要求高精度时必须补偿。4 若薄片为N型，控制电流I自左向右,多数载流子电子沿与I反向运动，B使电子受到 Lorentz FL而偏转，在后端面积累，前端面则缺少

3、电子带正电，前后端面间形成电场 积累越多，电场越强. 当FL与FE相等时的电场为EH（约10-1210-14 s ），相应的电势为霍尔电势UH。1、概念：霍尔效应-若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应强度为B的磁场中，给垂直磁场方向上通有电流时，在垂直于电流和磁场的方向上产生电场的物理现象。2、霍尔效应示意图5若电子都以均一速度- ，那么在作用下所受力： 电场作用于电子的力： 负号表示电子的受力方向与电场方向相反 3、霍尔效应的定量描述： 大量实验得：霍尔电场EH与外加电流J和磁场B成正比，表示为： RH为霍尔系数 4、霍尔系数描述6电子积累平衡时而电流密度： 负号表示电子运动速度方向与电流方向

4、相反 将（2）中v代入（1）得： 式中霍尔系数 ，由材料的掺杂浓度决定；如果是P型半导体，霍尔系数 KH 为灵敏度系数， （单位为VA-1T-1）它与材料的掺杂浓度和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。而 ，则RH 的表示式： （1）（2）（3）讨论：金属材料，绝缘材料不宜作霍尔元件； 半导体材料7 如磁场与薄片法线有一夹角（0至90），霍尔电势会减小为： 5、影响霍尔效应的因素： (1) 磁场与元件法线的夹角 (2) 元件的几何形状对UH的影响 当b加大时，载流子在磁场偏转中的损失会加大，UH将下降。用形状效应因子f(l/b) 修正为： RH 的表示式： 讨论

5、：金属材料，绝缘材料不宜作霍尔元件；半导体材料又 电子迁移率大于空穴迁移率， 多用N型半导体材料又8(3) 控制电极对UH的短路作用 以l方向自左向右为x轴，测量UH（x）,得到不同宽长比元件的曲线。 在控制电极面积与其所在侧面面积(bd)相比较大时对UH有短路作用，UH下降 离控制电极越近（0和1.0两点）UH越小，在l/2处UH有最大值。 总之，当材料和几何尺寸确定后，UH正比于I和B。控制I（或B）方向改变时UH方向将改变，但I与B同时改变方向时，UH方向不变； 在I恒定时可用元件测量磁场，B恒定时检测电流； 当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时UH反映磁场变化，可测微小位移、压力、机械

6、振动等。 UH随x的变化曲线 9（a）体型（b）改进型（c）薄膜型 2、工艺：蒸发法制硅薄膜时皆为多晶的很小，不适合制霍尔元件； 外延法可制单晶硅薄膜霍尔元件。 因GaAs、InAs的较大使RH、KH较大，能实现InAs薄膜型高灵敏器件（可将Si离子注入GaAs中成n型，低温沉积SiO2包封、光刻、腐蚀、焊引线）一、结构-基于霍尔效应原理的元件图a ：霍尔片是单晶薄片（如420.13），长宽比为2，四个电极，a、b为输入端，c、d为输出端。图b：为克服a、b电极短路作用的结构。图c：元件厚度越小KH越大，薄膜型器件。1、原理结构：分为体型和薄膜型。10图中a、b线为控制电流端引线，常红色导线；

7、 c、d为霍尔输出引线两侧端面的中间点对称地焊，常绿色 壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 图c：电路中用的两种符号。 2、外形结构-由霍尔片、四根引线和壳体组成11二、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电阻。 3. 额定控制电流IC：在B=0、25、静止空气中功耗产生温升T =10时从电流电极输入的电流。 最大允许控制电流Icm受最高允许使用温度（Tj）的限制(锗元件Tj80，硅Tj175，砷化镓Tj250)。 用Tj时电损耗等于散热条件计算的Icm。得： 4. 乘积灵敏度KH：在单位

8、控制电流IC、单位B作用下器件输出端开路时的霍尔电压（单位为V/AT）。b、d元件尺寸，电阻率， s散热系数, T=Tj-T室温12 5. 磁灵敏度SB-在额定控制电流IC、单位B作用下，输出端开路时的霍尔电压UH，表示为： 单位为V/ T 7. 霍尔电压温度系数：在一定的B、控制电流IC下，温度每变化1时UH的相对变化率（单位是%/）。 6. 不等位电势UM：在B=0、额定控制电流IC时，因输出电极不在同一等位面上而有一定的电位差。 图 UM电势有方向性，随I方向改变而改变，或因生产中材料厚度不均匀的影响。13三、霍尔元件的电磁特性 1. 霍尔电势与控制电流间的关系 若B恒定、T一定下，呈线

9、性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度kI，KI=UH/I=KHB恒定。KH越大，KI越大。 若KH低的元件在较大的I下工作，也能得到较大的UH。 采用交流控制电流时，因产生UH所需时间极短（约10-12s）,因此交流电频率可高达几千兆赫，且信噪比较大。 2. 霍尔电势与直流控制电压U间的关系 若元件两端加上电压源U，元件上电流为： 霍尔输出电压为： UH与外加电压U成正比，且宽长比b/l越大UH越大，但这与霍尔元件几何因子的变化趋势相反，实际中应选择适当，一般选择长宽比为2。 143. 霍尔与磁场（恒定或交变）间的关系 I恒定时开路霍尔输出随B增加并不完全呈线性关系。只有当B0时且UH值增到使

10、T1基极电位升高而通，T2而止，使原来饱和通的T3进入止，止的T4通，触发器从一个稳态翻转到另一个稳态，且因T3和T4的正反馈而加快，产生很陡的矩形输出波形，即实现了整形，Uc4变为低，使T5至T8止，此状态称为关状态。当磁场减小时UH很小至T3通再次T4止翻转为高，T5到T8通，这样，B变化就使传感器完成一次开关动作。 2、外形及典型接口电路 233. 工作特性-外加B与输出电平的关系曲线：看出：当B高于BOP时输出电平由高变低，处于开态；当B低于BRP时输出电平由低变高，处于关态；有一定的磁滞BH，对开关动作的可靠性非常有利。BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”磁感应强度

11、。4、双稳态开关型霍尔集成传感器UGN3075，又称为锁键型传感器的工作特性曲线：当B超过工作点时输出为导通态。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使其关断。 24二、线性霍尔集成传感器 1. 结构实际电路中：设置稳压、放大、输出级、失调调整和线性度调整等。-有单端输出和双端输出两种。电路框图如下：-由霍尔元件、放大器和射极跟随输出器组成。252、电路图3、工作原理：4、应用：广泛用于磁场、位置、力、重量、厚度、速度、电流等的测量或控制。霍尔元件产生UH与B成线性变化，经放大后呈线性输出。262. 主要技术特性 下图，输出电压随B的增加而增加，在一定范围内呈线性；

12、其非线性与元件的接触工艺、放大电路的线性程度等有关。线性化处理后用于检测。 单端输出特性 双端输出特性 274.1.4 霍尔元件及其集成电路的应用 一、霍尔元件的应用 1、位移测量：特点是响应快，无接触测量。一般测量微小位移 在B相同而极性相反的两个磁铁气隙中的磁场（图a ），在一定范围沿x方向的梯度dB/dx为常数，即磁场随x线性变化（图b） （当x=0，B=0是此位置受到大小相等、方向相反磁通作用的结果）28 放置一霍尔元件，控制电流I恒定时UH与B成正比。 当元件沿x方向移动时，有： K为位移传感器输出灵敏度 磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。元件位于磁场中间时，

13、x=0,B=0,UH=0，得： 292、在转速测量上的应用 结构：永磁体固定在被测轴上，元件置于磁铁气隙中。 装置中输出和输入之间相互隔离，稳定性好，精度高。原理：轴转动时霍尔元件输出UH，经后续电路处理可得转速的数据。两种测量转速示意图303、功率测量 结构：下图， RL为负载电阻，N型锗霍尔元件,有功率刻度的伏特表接在UH处（直读式功率计)。k1为与器件材料、结构有关的常数 K1、K2均为常数，K=RHK1K2/d适于直流大功率的测量。特点：功率测量误差一般小于1%; 范围可从微瓦到数百瓦； 结构简单，体积小，寿命长，成本低廉。 原理： 若外加磁场B正比于被测电压U： UH正比于被测功率P

14、314、在无损探伤中的应用 原理：在外加B下，无缺陷时铁磁性材料有高磁导率，磁力线绝大部分通过铁磁材料，且内部磁力线均匀分布； 有缺陷时，缺陷的磁导率远比铁磁材料的小，使磁力线有部分露出表面，并发生弯曲； 用霍尔元件检测该泄露B的变化，可有效检测出缺陷的存在。 无损探伤装置主要：由磁场激励源、探伤元件、可调整式探头等组成。 无缺陷磁料中磁力线的分布 有缺陷磁料中磁力线的分布 32二、霍尔开关集成电路的应用 它一般输出管的集电极开路、射极接地，用途广泛，如转速测定、点火系统、限位开关、按钮开关等等。一般负载接口电路如图。331. 霍尔计数装置 对黑色金属钢球进行计数的工作示意图和电路图。SL30

15、51霍尔开关集成传感器灵敏度高，可检测微弱磁场。当钢球运动到磁场时被磁化，运动到SL3051时输出峰值电压，经IC放大后，驱动T输出低；走过后T输出高；即每过一个钢球产生一个负脉冲，可计数和显示。 342. 霍尔汽车点火器 传统点火器：用机械装置的触点闭合和打开，点火线圈断开瞬间感应火花塞点火。易造成触点磨损、氧化，性能降低。 图用SL3020霍尔传感器、磁轮鼓圆周上按磁性交替嵌有永久磁铁。当磁轮鼓转动时，磁铁的N、S极交替通过传感器表面，输出一串脉冲信号，将这些脉冲积分后触发功率开关管，点火线圈便产生15KV的感应高电压，点火-发动机转动。 优点：无触点使寿命长；点火能量大使气体燃烧充分污染

16、减少；点火时间准确，可提高发动机的性能。 35三、霍尔线性集成传感器测量磁感应强度 磁感应强度测量仪电路 SL3501M霍尔线性集成传感器,使其正面面对磁场，UHB,便可测B。 RP1可调整输出表头量程，RP2可调零。C1防止电路间的杂散交连的低通滤波器。364.1 霍尔元件 Hall Cell4.2 半导体磁阻器件 Semiconductor magneticresistance device4.3 结型磁敏器件 Junction magnetic device4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 Magnetic-resistance cell of iron metal film 4.5 新型

17、磁传感器 New magnetic sensors 第四章 磁敏传感器 374.2.1 磁阻效应 magneticresistance effect4.2.2 磁阻元件 magneticresistance device 4.2.3 磁敏电阻的温度补偿 temperature compensation of magneticresistor 4.2.4 磁敏电阻的应用 application4.2 半导体磁阻器件 磁阻效应-将外加B使电阻变化的现象.当半导体片受到与电流垂直的B时，出现电流密度下降和电阻率增大的现象。 原理上可分为物理磁阻效应和几何磁阻效应两种。38一、物理磁阻效应 1、定义-

18、沿着原电流方向的电流密度减小、电阻率增大的现象。 将磁场引起的电阻值变化称为-磁阻；2、解释：统计物理学知，载流子的漂移速度服从热力学统计分布规律。当通有电流后放在与垂直的磁场中产生了EH即 速度为 的载流子受的FL与FE相同，运动方向不发生偏转；速度 的空穴会向下偏产生磁阻。 另外，电场会加速，因微观散射使电子加速到一定值后又减小，再加速后再减小，结果呈圆弧变化。载流子偏转的示意图 393、磁阻定量描述：用电阻率的相对改变描述:(1) 磁场不太强即HBZ1时，电阻率可达饱和 ，/0为常数;磁阻也达到最大值。4、电流变化：两种载流子显示出横向磁阻效应，如图。 当BZ=0， 当BZ0，电子和空穴

19、沿y方向电流均不为零，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，而总的合成电流减小，相当于电导率减小，电阻率增大。 41二、几何磁阻效应 1、定义-在相同磁场作用下，由于半导体片的几何形状不同而出现电阻值不同变化的现象。J与E的方向关系 几何磁阻效应的实验结果 2、解释：其原因是半导体片内部电流分布受外磁场作用而发生变化。 左图:电流端因EH受电极短路而减弱，电子受到FL而偏斜，则电流方向偏斜；中间部分EH受短路影响小，FE=FL，运动方向不变化；当片长度减小，不受影响的区域变小，EH受短路作用更显著。电场E因受EH作用而偏斜，与原电流方向夹角-霍尔角。 右图:可看出长宽比

20、越小，几何磁阻效应越强 。 423、理论计算得： （1）.弱磁场时，磁阻比RB/R0为：g为弱磁场下样品的形状系数；为霍尔角,tg = EH/E0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。 （2）.中等磁场时，磁阻比RB/R0为：1n1 磁阻比随B的加强变化趋势均非线性增加， 且l/b大的g较小，相同B 时，RB变化小，增加慢。43（3）.强磁场时，磁阻比RB/R0为：图:G最大是1，最小是负无限大，G随l/b增加与中弱磁场趋势相反，但只要形状一定，G一定。第二项,随B加强而线性增加幅度更大，只是相同B时l/b大的G也大，磁阻增加快。 强磁场下 G与l/b的的关系曲线 G

21、为强磁场下样品的形状系数44一、长方形磁敏电阻元件 长方形磁敏电阻外形 结构: 两端器件-lb 外加B下物理磁阻效应和几何磁阻效应同存在1、弱场时的磁阻比为： ms为磁阻平方系数 磁阻平方灵敏度为： 是常数，mx只与g有关。SS与l/b和厚度d有关。 2、强场时，磁阻比为： 强场时B/0为常数，则在强磁场下RB与B就成正比关系。 4.2.2 磁阻元件 45二、栅格型磁敏电阻高灵敏电阻 在长方形磁阻上沉积许多金属短路条，分割成宽都b，l/b载流子的有效扩散长度，发射区注入的载流子少数输入c、大部分通过e-p-b形成Ib，IbIc，电流放大倍数0时有BT存在，1、4管截止，磁桥输出VAB0,放大后

22、表头指示B，当B0即改变方向时，表头指针反转。 一种小量程高斯计的电路图 672. 无触点开关 电路由四只磁敏二极管组成检测电路,可进行温度补偿。无磁场时磁敏电桥无信号输出；当磁铁运行到距磁敏桥一定位置时有信号输出，加在VT1的基极上使其导通，R1上压降增高，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。 无触点开关的电路 683. 无触点电位器 一般电位器由于触点常产生噪声信号，寿命不长。磁敏元件制作的无触点电位器可克服上述缺点，图中磁敏元件使用磁敏二极管或霍尔线性传感器，置在单个磁铁下或两个磁铁间，当旋动电位器手柄时磁铁跟着转动，使磁敏元件表面的

23、B发生变化，其输出电压将随手柄的转动而变化，起到电位调节的作用。 694.1 霍尔元件 Hall Cell4.2 半导体磁阻器件 Semiconductor magneticresistance device4.3 结型磁敏器件 Junction magnetic device4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 Magnetic-resistance cell of iron metal film 4.5 新型磁传感器 New magnetic sensors 第四章 磁敏传感器 704.4.1 铁磁体中的磁阻效应 Magnetic-resistance effect of iron metal

24、film 4.4.2 铁磁薄膜磁敏电阻的结构与工作原理 Configuration and work principle of iron-metal film resistor 4.4.3 铁磁薄膜磁敏电阻的技术性能及特点 Technology performance and characteristics4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 Magnetic-resistance cell of iron metal film71铁磁性金属薄膜磁阻元件-具有很小的温度系数，性能稳定，灵敏度高，且制备工艺简单，是一种很有前途的磁敏元件。 铁磁材料的磁电阻各向异性效应-的变化与 和 的相对取向有关。同

25、时的大小随磁场而变化 其电阻率为： 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电阻率；为电流方向与磁场方向的夹角。 磁阻效应的大小表示： 此各向异性效应与自发B在晶体内的取向和不同磁相体积浓度分配有关。 4.4.1 铁磁体中的磁阻效应72 结构:图a），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为电极。为了获得较高的电阻值并使器件小型化,电阻图形设计成迂回状。 图b），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。 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 73外加磁场 在xy平

26、面内与y轴成角。x()和y()为： 若电源电压为V0，则由b电极的输出为： 输出电压只与角有关，与磁场的大小无关。 采用真空蒸发铁磁薄膜制造磁敏电阻，强磁性金属膜还有四端桥形结构如图。 四端磁敏电阻结构 （1） （2） （3） 74 与其它磁敏器件相比有以下优点: 1、灵敏度高且有选择性：灵敏度比霍尔器件高1-2个数量级，且具有方向性；B与金属膜平行时灵敏度最好，B与金属膜垂直时无磁敏特性； 2、温度特性好：电阻值、输出电压与T成线性关系，易进行温度补偿； 3、频率特性好：保持其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； 4、倍频特性：输出电压的频率正

27、好等于B频率的2倍，输出电压波形是正强波。良好的倍频特性； 5、饱和特性：当BBs时达到饱和。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。 4.4.3 铁磁薄膜磁敏电阻的特点 754.1 霍尔元件 Hall Cell4.2 半导体磁阻器件 Semiconductor magneticresistance device4.3 结型磁敏器件 Junction magnetic device4.5 新型磁传感器 New magnetic sensors 第四章 磁敏传感器 4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件 Magnetic-resistance cell of iron meta

28、l film 764.5 新型磁传感器4.5.1 CMOS磁敏器件 magnetic field device 4.5.2 高分辨率磁性旋转编码器 high resolution magnet-whirl coder 4.5.3 涡流传感器 whirling current sensor77 CMOS磁敏器件-灵敏度、线性度和功耗等性能优于体型结构，并与普通IC工艺相兼容应用范围宽。CMOS磁敏器件具有类似于MOS差分放大器结构，具有如下特点： 两只互补SD-MOSFET的CMOS磁敏器件等效电路 1.两只互补的MOS晶体管由两只劈裂漏极MOS晶体管（SD-MOSFET）替代。 2.劈裂漏极相互交叉连接。原理：当加垂直于器件表面的磁场时，两只劈裂漏极MOS管中由于FL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。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。这种相互交和动态负载技术，漏极电流的较小变化就会引起输出电压的很大变化。 4.5.1 CMOS磁敏器件78 编码器按工作原理分为：光电式、磁性线圈式、电磁感应式、静电电容式、磁阻式。磁阻式磁性编码器结构紧凑、高速下仍工作稳定、抗污染能力强、抗振抗爆能力强、耗电少等优点。 （