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1、第四章半导体磁敏传感器,4.1霍耳磁敏传感器4.2磁敏二极管和磁敏三极管4.3磁敏电阻,磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号的传感器。它广泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等待个领域。磁敏传感器的工作原理大多是基于带电载流子在磁场中运动时因受洛仑兹力的作用而发生偏转的机理：FqVBq为电子电荷，V为载流子运动速度，B为磁感应强度。根据B0H(0为材料的导磁率)，磁敏传感器可以分为两类：高导磁率材料(1)制成的磁敏传感器。如利用铁镍薄膜磁阻效应制成的磁敏传感器；低导磁率材料(1)制成的磁敏传感器，如利用半导体材料(如Si、GaAs、InSb等)的电磁效应制成的磁敏传感器例如霍尔器件
2、、磁敏晶体管、磁敏电阻器等。除上述两类外，还有核磁共振、超导量子干涉器件等磁敏传感器。,包括B、H、等,4.1霍耳磁敏传感器（一）工作原理霍耳效应,通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象称为霍耳效应。,-,I,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,+,+,+,+,+,l,w,d,霍耳效应原理图,VH,z,x,y,n,设n型半导体的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向z施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力沿y轴负方向，大小为q电子电量(1.6210-19C)；v电子运动平均速度。由于载流子的偏转，使y方向上两极板分别积累
3、不同的电荷，产生新的电势差VH（霍耳电势），形成由+y指向-y的电场EH，电子受该电场的电场力方向沿y轴正方向，大小为,当fL和EH达到动态平衡时，VH不再增加达到一个稳定值：,霍耳电势VH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：,电流密度j=nqv,nN型半导体中的电子浓度,N型半导体,霍耳系数，由载流材料物理性质决定；载流子迁移率,根据霍耳电势的表达式，VH正比于I和B，并随B的方向改变而改变符号，因此可由VH检测B的大小和方向。注意影响霍耳灵敏度的因素材料类型、导电类型和厚度,或者,代入,设KH=RH/d,KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单
4、位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时（即B与I不完全垂直时），霍耳电势应为：,VHKHIB,VHKHIBcos,注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变；但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。,霍耳器件片a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2,（二）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）的结构,d,s,l,（b）,2.1,5.4,2.7,A,B,0.2,0.5,0.3,C,D,（a）,w,控制电流端,霍耳端,R4,（c）,霍耳电势输出端的端
5、子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。,器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。,电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。,关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。,控制电流I；霍耳电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍耳负载电阻R3；霍耳电流IH。,图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可以是一般电阻或放大
6、器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。,元件尺寸的一些特点：,几何尺寸l/w：由于存在局部短路作用，在霍耳电极上输出的霍耳电势，将要比理论值小，只有当l/w时，才符合VH的定义式。一般在l/w为有限值时，认为l/w2基本上就可以有效减小短路现象，若l/w过大，控制电极间距增大，使输入功耗增加，会降低元件的输出。霍耳电极的位置和大小：一般取元件长边的中心点作为霍耳电极的位置，它的宽度尺寸s是小于元件长度尺寸的1/10。,由于金属电极的存在，会使因
7、洛仑兹力积累的部分电荷与对面感应的相反电荷中和，导致VH下降，所以离控制电极越近的位置处VH也越小。,上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。,同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式,设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式,（三）霍耳器件的基本特性,1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。,VH=KHBI,2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电
8、流灵敏度、电势灵敏度等多种方式来表示：,KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。,KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。,KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。,若控制电流值固定，则：,VHKBB,若磁场值固定，则：,VHKII,3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。,4、最大输出功率在霍耳电极间接入负载后，元件的功
9、率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。,5、最大效率霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：,6、负载特性当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。,80,60,40,20,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,VH/mV,=,=7.0,=1.5,=3.0,B/T,理论值,实际值,VH,R3,I,霍耳电势的负载特性,=R3/R2,霍耳电势随负载电阻值而改变的情况
10、,7、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。,霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（b）与温度的关系,RH/cm2/A-1,250,200,150,100,50,40,80,120,160,200,LnSb,LnAs,T/,0,2,4,6,/710-3cm,LnAs,200,150,100,50,LnSb,T/,0,霍耳元件的输出电压常常具有负的温度系数，因此在实际应用中，需考虑温度补偿的问题。,8、频率特性磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的：器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况
11、相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。磁场交变：霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。,总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。,9、不等位电势VM和寄生直流电势VoD,霍耳元件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时霍耳电极间的开路电势差，称为不等位电势VM。它是由于两个输出电极不在同一个等位面上而造成的，产生的原因主
12、要有材料电阻率的不均匀，基片宽度和厚度不一致及电极与基片之间的接触位置不对称或电接触不良等。在不加外磁场情况下，霍耳元件通过交流控制电流，在霍耳电极上也会有直流电势，称为寄生直流电势VoD。它是元件的霍耳电极或输入电极在与半导体片相接触时，没形成良好的欧姆接触，产生了整流效应，导致了霍耳电极产生寄生直流电势VoD。比较二者的差别：不等位电势是由于元件的几何形状或电极位置不对称以及材料的不均匀而造成的，寄生直流电势则是由于电极的整流接触而造成的，因此前者电势的方向随控制电流方向改变而改变，但数值不变，它能增强或削弱霍耳电压，而寄生直流电势与电流的流向无关，它也不影响霍耳电势的测量。,霍耳开关集成
13、传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。它把霍耳器件的电压经过一定的阈值甄别处理和放大，而输出一个高电平或低电平的数字信号。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。它也能与数字电路直接配合使用，因此可直接满足控制系统的需要。,霍耳开关集成传感器,（四）集成霍耳传感器,霍耳开关集成传感器通常由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路和开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,霍耳
14、开关集成传感器的结构及工作原理,开关型集成霍耳传感器基本电路,补偿元件,差分放大,施密特触发器（整形电路）,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。,0,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状
15、态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,霍耳开关集成传感器的应用(阅读)a.霍耳开关集成传感器的接口电路,磁铁轴心接近式在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，,随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。,b给传感器施加磁场的方式,磁铁侧向滑近式要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。,采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度,在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。,S,N,磁铁,磁力集中器,传感器,带有磁力集中器的移动激励方式示意图,磁感应强度B/T,0.10,0.08,0.06,0.04,0.02,0,2.5,5,7.5,10,磁铁与中心线的距离L2/mm,B-L2曲线的对比图,(a)加磁力集中器的移动激励方式,
