第4章 磁电传感器

传感器原理及应用技术第4章磁敏传感器4.14.2磁敏传感器的物理基础霍尔元件4.34.4磁阻元件磁敏二极管4.5磁敏三极管4.6磁敏传感器的应用磁敏传感器通常是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器。磁敏传感器主要是利用霍尔效应原理及磁阻效应原理构成的。构成磁敏传感器的敏感元件有霍尔元件、磁阻元件、磁敏晶体管、磁敏集成电路。磁现象和电现象不同，它的特点之一是磁荷(MagneticCharge)不能单独存在，必须是N、S成对存在(电荷则不然，正电荷和负电荷可以单独存在)，并且在闭区间表面全部磁束(磁力线)的进出总和必等于零，即divB=0。4.1磁敏传感器的物理基础4.1.1基础知识磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由公式表示为

F=e(E+v×B)=eE+evB4.1磁敏传感器的物理基础电感L、电流I与它们产生的磁束Φ之间的关系可表示为

Φ=LI4.1.1基础知识当磁束有变化时,在与其相交的电路中将产生的电动势为在半导体薄片的两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在薄片的另两侧会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH(霍尔电势，也称霍尔电压)。这种现象就称为霍尔效应。4.1磁敏传感器的物理基础4.1.2霍尔效应4.1磁敏传感器的物理基础4.1.2霍尔效应图4.1霍尔效应原理图4.1磁敏传感器的物理基础4.1.2霍尔效应将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。4.1磁敏传感器的物理基础4.1.3磁阻效应当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为

rB=r0(1+0.273m2B2)

式中：B——磁感应强度

m——电子迁移率

r0——零磁场下的电阻率

rB

——磁感应强度为B时的电阻率4.1磁敏传感器的物理基础4.1.3磁阻效应设电阻率的变化为Dr=rB－r0，则电阻率的相对变化为4.1磁敏传感器的物理基础4.1.3磁阻效应由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显InSb和InAs等半导体的载流子迁移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。4.1磁敏传感器的物理基础4.1.4形状效应由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：人类对自然界的探索和认识是无止境的，还有许许多多新的现象、新的效应有待我们去研究、去发现。霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔最初研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。101年以后，即1980年，克里津从金属-氧化物半导体场效应电晶体中发现了量子霍尔效应。因发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术，德国物理学家冯·克里津获得了1985年诺贝尔物理学奖。4.1磁敏传感器的物理基础4.1.4形状效应图4.1霍尔效应原理图4.1磁敏传感器的物理基础霍尔效应的物理解说：4.1磁敏传感器的物理基础霍尔效应的物理解说：本节要点总结1掌握霍尔效应。2掌握磁阻效应了解形状效应。34.2霍尔元件霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图4.1所示，假设在N型半导体薄片上通以电流I，那么，半导体中的载流子(电子)将沿着和电流相反的方向运动。4.2.1霍尔元件的工作原理4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件的工作原理图4.1霍尔效应原理图若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B，则由于洛伦兹力fL(fL=evB，其中e为电子电量，v为电子速度，B为磁感应强度)的作用，电子向一边偏转(图中虚线方向)，并使该边形成电子积累，而另一边则积累正电荷，于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转，当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUH／l)与洛伦兹力fL相等时，电子的积累便达到动态平衡。这时，在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势UH。4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件的工作原理4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件的工作原理其大小可用下式表示：

令：

4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件的工作原理RH为霍尔常数，KH为霍尔元件的灵敏度。

于是：

UH=KHIB

4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件的工作原理霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流的输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。KH与元件材料的性质和几何尺寸有关，元件越薄，灵敏度就越高。霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。

霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成，霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。4.2霍尔元件4.2.2霍尔元件的结构4.2霍尔元件4.2.2霍尔元件的结构图4.2霍尔元件示意图在长边的两个端面上焊有两根控制电流端引线(见图中1、1′)，在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引线(见图中2、2′)。焊接处要求接触电阻小，且呈纯电阻性质(欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。在电路中，标注时，国产器件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品序号。图4.3霍尔元件的符号4.2霍尔元件4.2.3基本电路通常在电路中，霍尔元件可用如图4.3所示的几种符号表示，其中图(c)为日本规定的霍尔元件的符号，图(d)为我国国家标准规定的霍尔元件的符号。图4.4示出了霍尔元件的基本电路。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，I、B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B，或正比于两者的乘积。4.2霍尔元件4.2.3基本电路4.2霍尔元件4.2.3基本电路图4.3霍尔元件的基本电路在实际应用中，霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作，其特性不一样。究竟应用采用哪种方式，要根据用途来选择。4.2霍尔元件4.2.3基本电路1.恒压工作4.2霍尔元件4.2.3基本电路图4.5恒压工作的霍尔传感器电路恒压工作比恒流工作的性能要差一些，只适用于对精度要求不太高的场合。1.恒压工作4.2霍尔元件4.2.3基本电路图4.5恒压工作的霍尔传感器电路在恒压条件下性能不好的主要原因是霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。输入电阻的温度系数因霍尔元件的材料型号而异。1.恒压工作4.2霍尔元件4.2.3基本电路为了充分发挥霍尔传感器的性能，最好使用恒流源供电，即恒流工作，电路如图4.6所示。在恒流工作时，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。2.恒流工作4.2霍尔元件4.2.3基本电路图4.6恒流工作的霍尔传感器电路霍尔元件的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏，需要用放大电路放大其输出电压。3.差分放大4.2霍尔元件4.2.3基本电路4.2霍尔元件4.2.3基本电路图4.7霍尔传感器的测量电路4.2霍尔元件4.2.3基本电路图4.7霍尔传感器的测量电路霍尔开关4.2霍尔元件4.2.3基本电路霍尔开关4.2霍尔元件4.2.3基本电路表面贴霍尔传感器4.2霍尔元件4.2.3基本电路霍尔电流传感器4.2霍尔元件4.2.3基本电路霍尔电流传感器4.2霍尔元件4.2.3基本电路霍尔电流传感器4.2霍尔元件4.2.3基本电路4.2霍尔元件4.2.4电磁特性霍尔元件的电磁特性包括控制电流与输出之间的关系，霍尔输出与磁场之间的关系等。1.UH——I特性固定磁场B，在一定温度下，霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系(见图4.9)。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示。按照定义，控制电流灵敏度KI为

2.UH——I特性4.2霍尔元件4.2.4电磁特性由UH=KHIB，可得到

KI=KHB霍尔元件的灵敏度KH越大，控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大的元件，其霍尔输出并不一定大。这是因为霍尔电势在B固定时，不但与KH有关，还与控制电流有关。因此，即使灵敏度不大的元件，如果在较大的控制电流下工作，那么同样可以得到较大的霍尔输出。1.UH——I特性4.2霍尔元件4.2.4电磁特性图4.9霍尔元件的UH-I特性曲线2.UH——B特性4.2霍尔元件4.2.4电磁特性固定控制电流，元件的开路霍尔输出随磁场的增加并不完全呈线性关系，而是有所偏离。通常，霍尔元件工作在0.5Wb／m2以下时线性度较好图4.9霍尔元件的UH-B特性曲线4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿在实际应用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电热中叠加着各种误差电势。这些误差产生的主要原因有两类：一类是制造工艺的缺陷；另一类是半导体本身固有的特性。4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿1.不等位电势及其补偿由于在制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上,因此，当控制电流I流过元件时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一个电桥。4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿2.温度误差及其补偿图4.12霍尔元件的等效电路4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿1.不等位电势及其补偿电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，这时输出电压Uo等于零；当霍尔电极不在同一等位面上时,如图4.11所示，图4.11不等位电势示意图4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿1.不等位电势及其补偿由于r3增大，r4减小，则电桥失去平衡，因此,输出电压Uo就不等于零。恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向，则应采用机械修磨或化学腐蚀元件的方法来减小不等位电势。对已制成的霍尔元件外接补偿电路。4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿2.温度误差及其补偿由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化，因此，霍尔元件的性能参数(如内阻、霍尔电势等)对温度的变化也是很灵敏的为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件(如砷化铟)或采用恒温措施外，用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿2.温度误差及其补偿但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题，还必须结合其他补偿电路。4.2霍尔元件4.2.5误差分析及误差补偿2.温度误差及其补偿利用元件内阻温度特性和一个补偿电阻就能自动调节流过霍尔元件的电流大小，从而起到补偿作用。4.2霍尔元件霍尔元件的特性参数：4.2.5误差分析及误差补偿1．输入电阻Ri霍尔元件两控制电流端的直流电阻称为输入电阻Ri

。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入控制电流I变大，最终引起霍尔电动势变大。为了减小这种影响，最好采用恒流源作为激励源。4.2霍尔元件霍尔元件的特性参数：4.2.5误差分析及误差补偿2．输出电阻R0两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻R0，它的数值与输入电阻为同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。4.2霍尔元件霍尔元件的特性参数：4.2.5误差分析及误差补偿3．灵敏度

霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度d成反比，即KH=RH/d，它通常可以表征霍尔常数。4.2霍尔元件霍尔元件的特性参数：4.2.5误差分析及误差补偿4．最大控制电流Im

由于霍尔电势随控制电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大控制电流Im，它的数值从几毫安至几十毫安。4.2霍尔元件霍尔元件的特性参数：4.2.5误差分析及误差补偿5．工作温度

表示在这样一个环境温度下，霍尔元件能正常工作。本节要点总结1掌握霍尔元件的工作原理及霍尔电势。2掌握霍尔元件的结构、基本电路、供电方式及差分放大电路。3掌握霍尔元件的误差分析及误差补偿。4.3磁阻元件利用半导体的磁阻效应和形状效应，目前已研制出对磁场敏感的元件——磁阻元件。这种磁阻元件像电阻元件一样，有两个端子，结构简单，连接方便。4.3磁阻元件4.3.1长方形磁阻元件长方形磁阻元件其长度L大于宽度b，在两端制成电极，构成两端器件。长方形磁阻元件的工作原理是：在固体中由于杂质原子和晶格振动，阻碍电子运动，这种阻碍的存在使电子运动速度可减到零。4.3磁阻元件4.3.1长方形磁阻元件4.3磁阻元件4.3.2科尔宾元件科尔宾（Corbino）元件为圆盘形元件，在圆盘形元件的外圆周边和中心处装上电流电极，将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。图4.17科尔宾元件的结构本节要点总结1掌握长方形磁阻元件的结构及其工作原理。2掌握科尔宾元件结构及其工作原理。4.4磁敏二极管磁敏二极管是电特性随外部磁场改变而显著变化的器件。是一种新型半导体磁敏元件。更确切的说，磁敏二极管是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型二端器件。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二极管的PN结却有很长的基区（i区），大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。在i区的一个侧面上打毛，设置成高复合区（r区），而与r区相对的另一侧面保持为光滑无复合表面。4.4磁敏二极管4.4.1磁敏二极管的结构4.4磁敏二极管4.4.1磁敏二极管的结构磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二极管属于长基区二极管，是p+-i-n+型。图中，i为本征(完全纯净的、结构完整的半导体晶体)或接近本征的半导体，其长为L，它比载流子扩散长度大数倍，其两端分别为高掺杂的区域p+、n+。如果本征半导体是弱N型的，则为p+-v-n+型；如是弱P型的，则为p+-π-n+型。4.4磁敏二极管4.4.1磁敏二极管的结构在v或p区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的高复合区称为r区，与r区相对的另一侧面保持光滑，为低(或无)复合面。4.4磁敏二极管4.4.1磁敏二极管的结构图4.24锗磁敏二极管的结构及电路符号4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理对于普通二极管，在加上正向偏置电压U+时，U+=Ui+Up+Un。式中，Ui为i区压降，Up、Un分别为pi+、in+结的压降。4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理若无外界磁场影响，则在外电场的作用下，大部分空穴由p+区向i区注入，而电子则由n+区向i区注入，这就是人们所说的双注入长基区二极管，其注入i区的空穴和电子数基本相等。由于运动的空间“很大”，因此除少数载流子在体内复合掉之外，大多数分别到达n+和p+区，形成电流，总电流为I=Ip+In。4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理对于磁敏二极管，情况就不同了。当受到正向磁场作用时，电子和空穴受洛伦兹力作用向r区偏转，如图4.25所示。4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理对于磁敏二极管，情况就不同了。当受到正向磁场作用时，电子和空穴受洛伦兹力作用向r区偏转，如图4.25所示。4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理图4.25磁敏二极管载流子受磁场影响的情况4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理①设无外加磁场:很少空穴和电子复合,有稳定电流。②外加正磁场,载流子都受到洛仑兹力运动偏向r区,电流减小。③外加反向磁场,仍受洛仑兹力,在I区载流子数量增多,电流增大。4.4磁敏二极管4.4.2磁敏二极管的工作原理载流子的偏移与洛仑兹力有关,洛仑兹力与电场和磁场的乘积成正比。随着磁场大小方向的变化，可以产生输出正负电压的变化。结论：1.电流——电压特性4.4.3磁敏二极管的特性3.温度特性2.磁电特性4.磁灵敏度4.4磁敏二极管4.4磁敏二极管4.4.4磁敏二极管的补偿技术由于磁敏二极管具有随温度变化其特性参数变化较大的特点，因此给实际应用带来了很大的误差。为了提高测试精度，必须进行补偿处理。常用的补偿电路有以下四种：互补式、差分式、全桥式、热敏电阻式。4.4磁敏二极管4.4.4磁敏二极管的补偿技术使用该电路时，应选用特性相近的两只管子，按相反磁极性组合，即管子磁敏感面相对或相背重叠放置，或选用磁敏对管，将两只管子串接在电路上。1.互补式温度补偿电路图4.33热敏电阻式温度补偿电路4.4磁敏二极管4.4.4磁敏二极管的补偿技术热敏电阻式温度补偿电路如图4.33(b)所示。2.热敏电阻式温度补偿电路图4.33热敏电阻式温度补偿电路本节要点总结1掌握磁敏二极管的结构。2掌握磁敏二极管的工作原理。磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制出来的。磁敏三极管有NPN型和PNP型结构，按照所选用半导体材料又可分为Ge磁敏三极管和Si磁敏三极管。4.5磁敏三极管4.5.1磁敏三极管的结构Ge磁敏三极管的结构及电路符号如图4.34所示，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，有发射极e、基极b、集电极c，相当于在磁敏二极管长基区的一个侧面制成一个高复合区r。1.Ge磁敏三极管的结构4.5磁敏三极管4.5磁敏三极管1.Ge磁敏三极管的结构4.5.1磁敏三极管的结构图4.34

NPN型Ge磁敏三极管的结构和电路符号4.5磁敏三极管2.Si磁敏三极管4.5.1磁敏三极管的结构Si磁敏三极管是用平面工艺制造的，其结构如图4.35所示。它一般采用N型材料，通过二次硼扩散工艺，分别形成发射区和集电区，然后扩磷形成基区而制成PNP型磁敏三极管。由于工艺上的原因，很少制造NPN型磁敏三极管。4.5磁敏三极管2.Si磁敏三极管4.5.1磁敏三极管的结构图4.35

Si磁敏三极管的结构如图4.36(a)所示，当不受磁场作用时，由于磁敏三极管的基区长度大于载流子的有效扩散长度，因此发射区注入的载流