传感器原理-7课件

第四章磁敏传感器1第四章磁敏传感器体型磁敏传感器：霍尔传感器结型磁敏传感器：磁敏二极管、磁敏三极管磁电传感器检测磁场强度：10-14T~25T磁学量信号电信号2霍尔元件的特点：v霍尔元件优点:信噪比大频率范围宽无触点易微型化和集成化

v缺点:转换效率低受磁场影响大4.1霍尔元件3RH为霍尔系数；I为外加电流；B为磁场强度霍尔电场EHKH为灵敏度系数；I为外加电流；B为磁场强度霍尔电势UH4.1霍尔元件5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

电场力若电子都以均一速度-，那么在作用下所受力：

洛仑兹力4.1霍尔元件6磁场与薄片法线有一夹角α（0至90°）二、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f(l/b)为形状效应因子4.1霍尔元件7（a）体型（b）改进型（c）薄膜型

敏感结构：霍尔片图a：单晶薄片图b：克服a、b电极短路作用图c：元件厚度越小，KH越大，薄膜型器件4.1.2霍尔元件的结构与特性

4.1霍尔元件9工艺：

外延法制备单晶硅薄膜霍尔元件

InAs薄膜型高灵敏器件外形结构----霍尔片、四根引线、壳体a、b线为控制电流端引线，常为红色导线；c、d为霍尔输出引线，常为绿色导线：壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。4.1霍尔元件10主要技术参数

1.输入电阻Rin：控制电流电极端子之间的电阻值。2.输出电阻Rout：霍尔电压输出电极端子之间的电阻值。3.额定控制电流IC：B=0、25℃、⊿T=10℃最大允许控制电流Icm：最高允许使用温度（Tj）b、d元件尺寸，ρ电阻率，αs散热系数,⊿T=Tj-T室温4.1霍尔元件117.霍尔电压温度系数β：温度每变化1℃时UH的相对变化率（单位是%/℃）。6.不等位电势UM：

B=0材料厚度不均、输出电极焊接不良两个输出电极不在同一等位面。4.1霍尔元件134.1.4霍尔元件应用

一、位移测量

响应快，无接触测量，一般测量微小位移。磁场梯度dB/dx为常数，即磁场随x线性变化4.1霍尔元件14霍尔元件沿x方向移动时：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。4.1霍尔元件15三、功率测量

K1、K2均为常数，K=RHK1K2/d适用于直流大功率的测量。外加磁场B正比于被测电压U：UH正比于被测功率P4.1霍尔元件17四、在无损探伤中的应用

原理：

有缺陷时，磁力线有部分露出表面；用霍尔元件检测泄露磁感应强度B的变化；组成：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

4.1霍尔元件181.霍尔计数装置

金属钢球计数被磁化的钢球经过霍尔开关SL3051；每过一个钢球产生一个脉冲，可计数和显示。

4.1霍尔元件194.2.1磁阻效应4.2半导体磁阻器件磁阻效应：

当半导体片受到与电流垂直的B时，出现电流密度下降，电阻率增大的现象。将外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。

物理磁阻效应几何磁阻效应21

一、物理磁阻效应

1、定义部分载流子运动方向偏转，沿着原电流方向的电流密度减小、电阻率增大的现象。因外磁场与外电场互相垂直---又称为横向磁阻效应。将磁场引起的电阻值变化称为----磁阻；2、解释载流子的漂移速度服从热力学统计分布规律，即载流子的速度不完全一致。当通有电流的霍尔片放在与其垂直的磁场中一定时间后，产生了电场EH。4.2半导体磁阻器件22

速度为的载流子受到的FL与FE相同，运动方向不发生偏转；

速度>或<的载流子的运动方向都会发生偏转。因微观散射作用，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4.2半导体磁阻器件23磁阻比为：

4.2半导体磁阻器件弱磁场时，随着磁场增加，磁阻按平方增加(2)磁场较强时Δρ/ρ0约与BZ成正比，磁阻比也与BZ成正比。(3)磁场进一步增强，μHBZ>>1时较强磁场时，随着磁场增加，磁阻线性增加电阻率达饱和，磁阻达到最大值。254、电流变化两种载流子显示出横向磁阻效应。BZ=0时4.2半导体磁阻器件BZ≠0时电子和空穴沿y方向电流均不为零，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。和

26二、几何磁阻效应

1、定义

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4.2半导体磁阻器件长宽比越小，几何磁阻效应越强。273、理论计算得：（1）弱磁场时g为弱磁场下样品的形状系数；θ为霍尔角,tgθ=EH/E0图l/b值越小，g值越大。短而宽的半导体片的几何磁阻效应较大。4.2半导体磁阻器件29（2）中等磁场时

1<n<2;由于tgθ与B成正比，磁场增加到中等值时，tgθ>1;

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ΔB时，RB变化小，增加慢。（3）强磁场时G为强磁场下样品的形状系数4.2半导体磁阻器件30由图可知：

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。随B加强而线性增加幅度更大，只是相同ΔB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4.2半导体磁阻器件31一、长方形磁敏电阻元件

长方形磁敏电阻外形物理磁阻效应和几何磁阻效应同时存在。1、弱场时的磁阻比ms为磁阻平方系数4.2.2磁阻元件4.2半导体磁阻器件ξ为横向磁阻系数，是常数；

g为形状系数；Ms只随形状系数g变化32

磁阻平方灵敏度为：

SS与长宽比l/b和厚度d有关。2、强场时

强场时ρB/ρ0为常数，则在强磁场下RB与B就成正比关系。4.2半导体磁阻器件33二、栅格型磁敏电阻→高灵敏电阻结构形式：在长方形磁阻的长度方向沉积许多金属短路条；将其分割成宽度都为b，l/b<<1的许多子元件；原理：RB、R0为子元件在有、无磁场时的电阻；RBn、Ron为元件在有、无磁场时的电阻；n为短路条根数,l’为金属条宽（很小）。4.2半导体磁阻器件341、在弱磁场时磁阻平方系数msn：磁阻平方灵敏度ssn：2、在较强磁场时线性灵敏度Sln：g’为子元件的形状系数,g’增强很多，则msn增大,RBn增大。4.2半导体磁阻器件3、在磁场很强时35三、科宾诺元件

结构形式：

盘形元件；中心与外圆周边装有电流电极。原理：

电流在两个电极间流动；

载流子的运动路径因磁场发生弯曲；电阻增大。4.2半导体磁阻器件圆盘形元件的磁阻最大

36四、InSb-NiSb共晶磁阻元件

4.2半导体磁阻器件迁移率越高的材料，磁阻效应越明显。如InSb、InAs、NiSb等半导体材料。锑化铟、砷化铟、锑化镍镍：niè近似银白色、硬而有延展性、具有铁磁性的金属元素,它能够高度磨光和抗腐蚀,如镍质的货币。锑：tī金属银白色结晶，合金可制铅字、轴承。铟：yīn金属元素，质软，能拉成细丝。可作低熔合金、轴承合金、半导体、电光源等的原料。

37四、InSb-NiSb共晶磁阻元件

InSb-NiSb共晶材料

在InSb中掺有NiSb，结晶时析出NiSb针状晶体：沿着一定方向平行排列、导电性良好，直径1μm，长100μm左右。类似栅格金属条，起UH的短路作用。左图三种元件的磁阻效应: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。

掺杂磁阻元件灵敏度下降。4.2半导体磁阻器件单向结晶速度V对InSb-NiSb共晶磁致电阻性能Rb/Ro有影响。

38灵敏度很高,比霍尔器件的大100倍。一、结构和工作原理结构：是一种PIN型二极管，可称为结型二端器件

(也叫索尼二极管SMD)两端为高掺杂的P+和n+区；较长的本征区I称为长基区二极管，I的一面磨成光滑的；另一面用扩散杂质或喷砂法制成高复合区（称为r区），使电子-空穴对易于在粗糙表面复合而消失。

磁敏二极管结构示意图

4.3.1磁敏二极管

4.3结型磁敏器件39施加正偏压时p+-I结向本征区I注入空穴，n+-I结向本征区I注入电子，又称为双注入长二极管。工作原理：

图（a）无磁场，施加正偏压有大量的空穴从p+区通过I进入n+区，大量的电子从n+区通过I进入p+区，形成电流。I区只有少量的电子和空穴被复合掉。4.3结型磁敏器件40图（b）当受磁场B+（正向）时，电子和空穴受到FL向r区偏转，在r区复合使I区电流减小、电阻增大，I区压降增大、n+-I结和p+-I结上压降减小，使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。图（c）当受磁场B-（反向）时…n+-I和p+-I结上压降增大，使注入载流子增加、电流进一步增大，直至电流达到饱和止。

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，且磁场的大小不同，电流变化也不同。4.3结型磁敏器件41二、磁敏二极管的主要特性1.伏安特性--正向偏压与电流的关系图（a）为Ge磁敏二极管的伏安特性曲线：输出电压一定，磁场正向时随磁场增大电流减小；磁场负向时随磁场负方向增加电流增加;同一磁场下电压越大，输出电流变化量也越大。4.3结型磁敏器件42图（b、c）为硅磁敏二极管的伏安特性。图（c）有负阻特性，即电流急剧增加，偏压突然跌落；因高阻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，只有填满后电流才开始急增，同时I区压降减小，呈现负阻特性。4.3结型磁敏器件43常有单只使用和互补使用两种方式。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。4.3结型磁敏器件2.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B的关系。443.温度特性在标准测试条件下输出电压变化量ΔU随T变化。温度T影响较大磁敏二极管温度特性曲线

4.3结型磁敏器件45四种常用补偿电路：①互补式温度补偿电路图（a）；②差分式温度补偿电路图（b）；③全桥温度补偿电路图（c）；④热敏电阻温度补偿电路图（d）。4.3结型磁敏器件464.磁灵敏度

（1）电流相对磁灵敏度:在恒定偏压、单位磁感应强度下，通过磁敏二极管的电流相对变化。（2）电压相对磁灵敏度:在恒定偏流、单位磁感应强度下，磁敏二极管偏压的相对变化。（3）电压绝对磁灵敏度:实用中为了方便，一般采用电压绝对磁灵敏度SB。4.3结型磁敏器件V0为无磁场时的电压；V±分别为B=±0.1T时的电压47结构形式：n-p-n型和p-n-p型；材料：Ge和Si磁敏三极管；长基区磁敏晶体管：在磁敏二极管的长基区的基础上设计和制造。4.3.2磁敏三极管4.3结型磁敏器件48一、结构

Ge板条式磁敏三极管的结构发射极e、基极b、集电极c在射极和长基区间的一个侧面制成一高复合区r。l-l1l1dnp-Gen+p+hbd1d1ceebc(b)符号(a)结构r4.3结型磁敏器件49Si平面型磁敏三极管复合区r也是在be之间。

4.3结型磁敏器件50二、工作原理

图a：B=0时，由于基区宽度>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，Ib>Ic，电流放大倍数β<1。图b：当受到正向磁场（B+）作用时载流子受FL作用向发射区一侧偏转，使IC明显下降，同时基区复合增大，Ib增加量较小，电流放大倍数β减小。4.3结型磁敏器件分析磁场强度B变化时，基极电流Ib、集电极电流Ic和电流放大倍数β的变化。51图c：反向磁场（B-）作用时，载流子受FL作用向集区一侧偏转，使IC增大，基区复合减小，β增加，IB几乎不变。

三、磁敏三极管的主要特性

1.伏安特性

磁场为0、±1KGS；Ib为3mA；B变化时集电极Ic、放大倍数β的变化。IC(mA)1.00.80.60.40.202468Vcc(V)I=3mAB=-1KGI=3mAB=0I=3mAB=1KG4.3结型磁敏器件正、反向磁场作用下，Ib、Ic、β明显变化。52n-p-n型Ge磁敏三极管的磁电特性曲线。在弱场时，曲线接近一条直线。可利用这一线性关系测量磁场。3BCM磁敏三极管磁电特性2.磁电特性

3.温度特性及补偿

Ge磁敏三极管正温度系数；硅磁敏三极管负温度系数。4.3结型磁敏器件输出电流压变化量与外加B的关系。53磁敏二极管和磁敏三极管的应用磁敏管有高效的磁灵敏度，体积和功耗都很小，能识别磁极性，是一种新型半导体磁敏元件，有广泛的应用前景。

v磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。可以测量10-7T左右的弱磁场。

v电流表

原理：通电导线周围有磁场，磁场强弱取决于通电导线中电流大小。利用磁敏管实现导线电流的非接触测量。该装置既安全又省电。v转速传感器、漏磁探伤仪等

能测每分钟数万转的转速。

4.3结型磁敏器件54铁磁性金属薄膜磁阻元件的特点：

温度系数小、性能稳定、灵敏度高、制备工艺简单。

是一种很有前途的磁敏元件。

铁磁材料存在两种磁阻效应：

电阻率随着磁场强度的变化而变化，但与磁场方向无关。电阻率的变化与电流密度和磁场相对取向有关，称为磁电阻各向异性效应。

磁敏元件所利用的是各向异性效应。4.4.1铁磁体中的磁阻效应4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件55电阻率ρ为：

ρ⊥为电流方向与磁场方向互相垂直时材料的电阻率；р∥为电流方向与磁场方向互相平行时材料的电阻率；θ为电流方向与磁场方向的夹角。磁阻效应的大小表示：

ρ0为零磁场时材料的电阻率；4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件56结构:

图a：两个相同的磁敏电阻相垂直排列组成；电阻图形设计成迂回状：较高的电阻值、器件小型化。

图b：ρy(θ)：a和b电极之间；ρX（θ）：b和c电极之间。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

4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件57当外加磁场在xy平面内与y轴成θ角时若电源电压为V0，则由b电极的输出电压：输出电压只与θ角有关，与磁场的大小无关。

三端分压型结构四端桥型结构四端磁敏电阻结构三端分压型结构4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件581、灵敏度高、有选择性：比霍尔器件高1-2个数量级；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：保持输出信号不变的截止频率是强磁性共振频率；小于10MHz。4、倍频特性：输出电压的频率正好等于B频率的2倍，输出电压波形是正强波。4.4.3铁磁薄膜磁敏电阻的特点

4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件595、饱和特性：当B<临界磁场强度Bs时ρ与B有关；当B>Bs时ρ达到饱和。在饱和情况下不用限幅器即可获得稳定的输出。4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件604.5.2高分辨率磁性旋转编码器

4.5新型磁传感器按工作原理分类光电式：应用最多的编码器，有反光式、透光式磁性线圈式电磁感应式静电电容式磁阻式614.5.2高分辨率磁性旋转编码器

4.5新型磁传感器按编码方式的分类绝对式：将被测点的绝对位置直接转换为二进制的数字编码输出。中途断电，重新上电后也能读出当前位置的数据。增量式：测量输出的是当前状态与前一状态的差值。通常以脉冲数字形式输出，

然后用计数器计取脉冲数。

需要规定脉冲当量（一个脉冲所代表的被测物理量的值）和零位标志（测量的起始点标志）。中途断电无法得知运动部件的绝对位置。62磁阻式磁性编码器具有结构紧凑、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。磁性旋转编码器包含磁鼓和磁阻传感器头。磁鼓：在铝合金锭子上敷上一层磁性介质（γ-Fe2O3），并被磁化成具有偶数个长度为λ磁极。磁阻头：在玻璃基片上镀上一层Ni81Fe19合金薄膜，并列有10个检测增量信号的磁阻元件，4个用于零道信号检测的磁阻元件。4.5.2高分辨率磁性旋转编码器

4.5新型磁传感器63磁性编码器结构4.5新型磁传感器磁鼓旋转时，磁场周期性地变化，磁阻也周期性地变化，且每个磁场周期对应两个磁阻变化周期，具有倍频特性。644.5.3涡流传感器

4.5新型磁传感器工作原理:金属导体在交流磁场中的电涡流效应。电涡流（涡流）：

一个金属板置于一只线圈的附近，当线圈输入一交变电流i

(