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1、第六章 磁敏传感器 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和 1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏 传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子 公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁 性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏 度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性 元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。 磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和 霍尔式磁敏传感器。6.1 磁敏电阻器磁敏电阻器（Magnetic Resistance ）是基于磁阻效应的磁敏元件,也称 MR元件。磁敏电阻的应用范围比
2、较广，可以利用它制成磁场探测仪、位 移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。 一、磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外 磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁 阻效应。在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作 用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子 从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路 径长些，因此增加了电阻率。 当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成 正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导 出来的磁阻效应方程为式中 B 磁感应强度为B时的电阻率；0 零磁
3、场下的电阻率； 电子迁移率；B 磁感应强度。 当电阻率变化为B 0时，则电阻率的相对变化为： /0 = 0.2732B2 = K2B2由此可知，磁场一定时电子迁移率越高的材料（如InSb、InAs 和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略， 此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如 InSb）中，则磁阻效应很强。 磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与 磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁 阻效应。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应 强度和迁移率的关系可表达为长方形磁阻器件只有在L(长度)l的纵长
4、方形片，由于电子运动 偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场 力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再 继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有 两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻 增加得也不多。LbBB几何磁阻效应II（a ）（b ）图(b)是在Lb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，这种栅格磁阻器件如图（b） 所示，就相当于许多扁条状磁阻 串联。所以栅格磁阻器件既增加 了零磁场电阻值、又提高了磁阻 器件的灵敏度。实验表明，对于 InSb材料，当B=1T时，电阻可增
5、 大10倍(因为来不及形成较大的霍 尔电场EH)。磁敏电阻通常使用两种方法来制作： 一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图(a)所示的许多短路电 极(光栅状)的元件； 另一种是由InSb和NiSb构成的共晶式半导体(在拉制 InSb单晶时，加入1 的Ni，可得InSb和NiSb的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一 定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1m左右，长约100m ，许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于InSb 的温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵 敏度要损失一些。在结晶制作过程中有方向性地析出金属
6、而制成磁敏电阻，如 上图(b)所示。 除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏 电阻大多制成圆盘结构。二、磁敏电阻的结构各种形状的磁敏电阻，其磁阻与 磁感应强度的关系如右图所示。由图 可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性 的，且受温度影响较大；因此，使用 磁敏电阻时必须首先了解如下图所 示的持性曲线。然后，确定温度补偿 方案。磁阻元件的电阻值与磁场的极性无 关，它只随磁场强度的增加而增加 磁阻元件的温度特性不好，在应用 时，一般都要设计温度补偿电路。磁敏电阻器的应用：1 作控制元件 可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、 磁通密
7、度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。 2作计量元件 可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因 数测量等诸多方面。 3作开关电路 在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。 4作运算器 可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和 开立方器等方面使用。 5作模拟元件 可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻 抗模拟等方面使用。 磁敏电阻的应用 根据铁磁 物体对地磁的 扰动，可检测 车辆的存在， 可用于包括自 动开门，路况 监测，停车场 检测，车辆位 置监测，红绿 灯控制等。 利用磁敏电阻制作小型探矿仪（ 磁力仪） 磁敏电阻 （聚四氟乙 烯
8、封装）磁力 探矿仪 的使用磁阻IC用于转速测量 磁力线集中磁力线分散磁阻IC用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上 的磁性防伪线扫 描 锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上 图所示，电路原理图如下图所示。 电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性当纸币上的磁性油墨 没有进入位置1时，设输出 变化为零，如果进入位置1 ，由于R2电阻增大，则输 出变化为0.3mV左右；如果 进入位置3时，则仍为0； 如果进入位置4，则为- 0.3mV，如果进入位置5， 则仍为0，就这样产生输出 特性，经过放大、比较、 脉冲展
9、宽、显示，就能检 测伪币，达到理想效果。半导体InSb磁敏无接触电位器半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一 。与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点:无接触电刷、无电接触噪音 、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSb 磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电 阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故 称无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在 同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一
10、个磁敏电阻；随 着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值 发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角 度变化的关系曲线如图所示。6.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻 之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成 的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的 磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高（ 磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍） 、工作电 流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特 点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测 和控制。一、磁敏二极管的结构和工作原理1
11、结构磁敏二极管的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 面磨成光滑的低复合表面(为I区)，另一面打毛， 设置成高复合区(为r区)，其目的是因为电子 空 穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电 流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知 ，磁敏二极管是PIN型的。 当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正)，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，这样形成电流，只有少 量电子和空穴在i区复合掉。 当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场H+(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，
12、由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区 快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减 小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区 而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。 当磁敏二极管受到如右图(c) 所示的外界磁场片H- (反向磁场 )作用时，则电子和空穴受到洛 仑兹力作用而向I区偏移，由于 电子、空穴复合率明显变小，i 区的等效电阻减小，则外电路的 电流变大。 若在磁敏二极管上加反向偏压 (P区的负)，则仅有很微小的电 流流过，并且几乎与磁场无关。 因此，该器件仅能在正向偏压 下工作。利用磁敏二极管的正向 导通电流
13、随磁场强度的变化而变 化的特性，即可实现磁电转换。结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生 正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁 场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r 区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二 极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流 过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。 因而二极管两端电压不会因受到磁场作用 而有任何改变。 3磁敏二极管的主要特性(1)磁电待性在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为 磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下 图所示。由图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时
14、，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。(2)伏安特性磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特 性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其 伏安特性将是不一样。图 (a)为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏 二极管的伏安特性。图 (b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平 坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很 快，表现出其动态电阻比较小。(3)温度特性一般情况下，磁敏二极管受温度影响较 大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输 出电压变化量U，或者在无磁场作用时， 中点电压Um随温度变化较大。因此，在实际 使用时
15、，必须对其进行温度补偿。互补式温度补偿电路选用两只性能相近的磁敏二极管，按相 反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背 向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电 压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如 此，互补电路还能提高磁灵敏度。差分式电路如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度 ，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和 R2。全桥电路全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点 只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的 两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管
16、，会给实际使用带来一些 困难。热敏电阻补偿电路如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D 的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于 上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。二、磁敏三极管的结构和工作原理1磁敏三极管的结构在弱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 。其最大特点是基区较长，基区结构类 似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和 本征I区。长基区分为输运基区和复合基 区。 2磁敏三极管的工作原理当磁敏三极管未受到磁场作用时，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 而基极电流大于集电极电流。当受到正向磁场(H +)作用时，由 于磁
