第7章磁敏式传感器

第七章半导体磁敏传感器简介磁敏式传感器是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的。按其结构可分为体型和结型两大类。体型的有霍尔传感器（其主要材料是InSb(锑化铟)、InAs（砷化铟）、Ge（锗）、Si、GaAs（砷化镓）等）和磁敏电阻（主要有InSb、InAs）。结型的有磁敏二极管（Ge、Si）和磁敏三极管（Si）。应用范围可分为模拟用途和数字用途。主要内容7.1霍尔传感器7.2集成霍尔传感器7.3磁敏电阻器7.4磁敏二极管和磁敏三极管7.5磁敏式传感器的应用7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应

当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。这个电势差也被称为霍尔电势差（压）。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应图7-1霍尔效应UHbldIFLFEvB7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应研究表明，半导体材料也具有霍尔效应。机理：半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。控制电极（输入电极）控制电流（输入电流）霍尔电极（输出电压）霍尔电压（输出电压）所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb

(7-3)设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时

FL=qvB

(7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有

qEH=qvB故霍尔电场的强度为

EH=vB

（7-2）UHbldIFLFEvB流过霍尔元件的电流为

I=dQ/dt=bdvnq得：

v=I/nqbd

(7-4)

所以：

UH=BI/nqd

若取

RH=1/nq

则

RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。

设KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，单位是mV/（mA·T）。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即所以而比较得或结论：①如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得②霍尔电压UH与材料的性质有关。③霍尔电压UH与元件的尺寸有关。另外通常还要对其形状效应修正

UH=RHBIf(L/b)/dL/b0.51.01.52.02.53.04.0f(L/b)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996④霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。7.1.2霍尔元件的构造及测量电路1构造霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。2测量电路W1W2UHUH~（a）基本测量电路WUHRLE（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式7.1.3霍尔元件的技术参数1.额定功耗P0在环境温度25℃时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi是指控制电流极之间的电阻值。R0指霍尔元件电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。4.霍尔温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率。即：3.不平衡电势U0在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。5.内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：6.灵敏度或：减小d;选好的半导体材料霍尔元件的主要技术参数7.1.4霍尔元件的测量误差和补偿1.零位误差及补偿方法图7-4不等位电势图7-5霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4几种常用补偿方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2.温度误差及补偿(1)利用输入回路串联电阻进行补偿（a）基本电路（b）等效电路

EIUHRUHtRO(t)RIUHERi(t)元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图7-7可知：

对上式求温度的导数，可得增量表达式：即：由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使

当元件的α、β及内阻Ri0确定后，温度补偿电阻R便可求出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其α、β值可以从元件参数表中查出，而元件内阻Ri0则可由测量得到。（2）利用输出回路的负载进行补偿

（a）基本电路（b）等效电路

UHIIRLUHtRi(t)RO(t)RLIUHI霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。即，可以不考虑输入回路的温度影响

在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：此时，RL上的电压为负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为根据当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行补偿即可。若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3）利用恒流源进行补偿对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。（4）利用热敏电阻进行补偿（a）输入回路补偿RRt（b）输出回路补偿

或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。RRLRt（5）利用补偿电桥进行补偿调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt常用霍尔传感器GaAs（砷化镓）和lnSb（锑化铟）介绍:1.GaAs霍尔传感器的品质①霍尔电压的温度稳定性好最大的优点是其在恒流工作时温度稳定性好，温度变化10℃，输出电压变化不超过-0.6％。②输出线性好最大误差只有2%(1K与5K高斯霍尔电压的比)。完全可以满足一般的用途。③灵敏度低与InSb霍尔传感器相比灵敏度低。大多数InSb霍尔传感器的输出电压较高，但这类传感器在500高斯左右开始达到饱和。

④GaAs霍尔传感器的不平衡电压随温度变化较大。在弱磁场中(10高斯以下)不如InSb霍尔传感器。THS103ATHS106A种类GaAsGaAs霍尔电压50~120mv(1mA,1k高斯)65~170mv输入电阻450~900Ω450~900Ω温度系数-0.06%-0.06%价格4元4元2.InSb霍尔传感器的品质InSb霍尔传感器与GaAs的特性几乎相反。①不平衡电压稳定性好

InSb霍尔传感器在恒压工作时不平衡电压的稳定性很好，噪音也小，在弱磁场中工作可很好地进行S/N的测量。②霍尔电压的温度稳定性不好在恒流工作时其温度系数为-2%/℃(最大)，是GaAs的30~40倍。为了改善InSb霍尔传感器的温度特性，采用恒压工作，可以将温度系数降低近10倍。③InSb霍尔传感器的频率特性也不太好(大约在数千赫至数十千赫)。在理论上GaAs霍尔传感器的频带在兆赫以上，而实际上是达不到的，但无论如何也会有InSb霍尔传感器数十倍以上的带宽。7.2集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。7.2.1开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。

7.2.2线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。

一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，

霍尔线性集成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。7.3.1磁阻效应当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为：7.3磁敏电阻器电阻率的相对变化可以看出，在磁感应强度Ｂ一定时，迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。7.3.2磁敏电阻的结构磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。长方形磁阻器件只有在l<b的条件下，才表现出较高的灵敏度。在实际制作磁阻器件时，需在l>b的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势.图7-13长方形磁阻器件BIBlIb图7-14圆盘形磁阻器件(a)(b)B圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。7.3.3磁阻元件的主要特性1.灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场—电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。(b)电阻变化率特性RB/R015105温度(25℃)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化00.20.40.60.81.01.21.4B/TS级(a)S、N级之间电阻特性N级0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500B/T图7-15灵敏度特性2.电阻—温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。温度（℃）020150504080100电阻（Ω）10060磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。本征区I的一面磨成光滑的无复合表面（I区），另一面打毛，设置成高复合区（r区），因此电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失。7.4.1磁敏二极管的工作原理和主要特性7.4磁敏二极管和磁敏三极管1.磁敏二极管的结构+－图7-17磁敏二极管结构示意图（a）结构（b）符号P+N+I区r区2.磁敏二极管的工作原理2.磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压后，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。P+N+I区r面当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因复合速度而减小。P+N+I区r面H+当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向I区偏移，由于电子和空穴复合率明显变小，因此，电流变大。P+N+I区r面H-利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。（a）（b）（c）图7-18磁敏二极管工作原理示意图P+N+I区r面P+N+I区r面H+P+N+I区r面H-（三）磁敏二极管的主要特性1.磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系。（a）单只使用（b）互补使用B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/VB/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V2.伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系不同磁场强度H作用下，磁敏二极管伏安特性不同例:锗磁敏二极管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2U(V)I(mA)硅磁敏二极管的伏安特性(a)I（mA)31245024681012U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)31245024681012U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG3.温度特性：在标准测试条件下，输出电压变化量随温度的变化。一般比较大。实际使用必须进行温度补偿。硅管的使用温度是-40ºC~±85ºC，锗管是-40~±65ºC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V图7-23温度补偿电路ERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的补偿电路:1.磁敏三极管的结构与工作原理在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。7.4.2磁敏三极管的工作原理和主要特性(a)结构(b)符号bcecN+eH-H+bIrN+P+当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy当受到正向磁场(H+)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H-)作用时，在H-的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-y图7-25磁敏三极管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)由此可知、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。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。(1)伏安特性2.磁敏三极管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)为不受磁场作用时(2)磁场为1kGs基极为3mA(2)磁电特性磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产NPN型3BCM(锗)磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1图7-273BCM磁敏三极管的磁电特性(3)温度特性及其补偿磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。对于锗磁敏三极管如3ACM、3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8％/0C；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6％/0C。因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。具体补偿电路如图所示。当温度升高时，V1管集电极电流IC增加．导致Vm管的集电极电流也增加，从而补偿了Vm管因温度升高而导致IC的下降。对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。ECR1μAmAV1VmReR2补偿电路(a)利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。WVmU0EC补偿电路(b)下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe补偿电路(c)（4）频率特性3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。（5）磁灵敏度

磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度h+和负向灵敏度h-两种。其定义如下：7.5磁敏式传感器的应用7.5.1霍尔式传感器的典型应用例7-1检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。例7-2霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从

a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。例7-3霍尔式压力传感器图7-30霍尔压力传感器结构原