傳感器原理及應用技術第4章磁敏傳感器4.14.2磁敏傳感器的物理基礎霍爾元件4.34.4磁阻元件磁敏二極管4.5磁敏三極管4.6磁敏傳感器的應用磁敏傳感器通常是指電參數按一定規律隨磁性量變化的傳感器。磁敏傳感器主要是利用霍爾效應原理及磁阻效應原理構成的。構成磁敏傳感器的敏感元件有霍爾元件、磁阻元件、磁敏晶體管、磁敏集成電路。磁現象和電現象不同，它的特點之一是磁荷(MagneticCharge)不能單獨存在，必須是N、S成對存在(電荷則不然，正電荷和負電荷可以單獨存在)，并且在閉區間表面全部磁束(磁力線)的進出總和必等于零，即divB=0。4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.1基礎知識磁感應強度、電場強度、力三者的關系可由公式表示為

F=e(E+v×B)=eE+evB4.1磁敏傳感器的物理基礎電感L、電流I與它們產生的磁束Φ之間的關系可表示為

Φ=LI4.1.1基礎知識當磁束有變化時,在與其相交的電路中將產生的電動勢為在半導體薄片的兩端通以控制電流I，在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場，則在薄片的另兩側會產生與I和B的乘積成比例的電動勢UH(霍爾電勢，也稱霍爾電壓)。這種現象就稱為霍爾效應。4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.2霍爾效應4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.2霍爾效應圖4.1霍爾效應原理圖4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.2霍爾效應將一載流導體置于外磁場中，除了產生霍爾效應外，其電阻也會隨磁場而變化。這種現象稱為磁電阻效應，簡稱磁阻效應。磁阻效應是伴隨霍爾效應同時發生的一種物理效應。4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.3磁阻效應當溫度恒定時，在弱磁場范圍內，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。對于只有電子參與導電的最簡單的情況，理論推出磁阻效應的表達式為

rB=r0(1+0.273m2B2)

式中：B——磁感應強度

m——電子遷移率

r0——零磁場下的電阻率

rB

——磁感應強度為B時的電阻率4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.3磁阻效應設電阻率的變化為Dr=rB－r0，則電阻率的相對變化為4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.3磁阻效應由上式可見，磁場一定，遷移率高的材料磁阻效應明顯InSb和InAs等半導體的載流子遷移率都很高，很適合制作各種磁敏電阻元件。4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.4形狀效應由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大小變化的現象，叫形狀效應。在考慮到形狀的影響時，電阻率的相對變化與磁感應強度和遷移率的關系可以近似用下式表示：人類對自然界的探索和認識是無止境的，還有許許多多新的現象、新的效應有待我們去研究、去發現。霍爾效應是1879年美國物理學家霍爾最初研究載流導體在磁場中導電的性質時發現的一種電磁效應。101年以后，即1980年，克里津從金屬-氧化物半導體場效應電晶體中發現了量子霍爾效應。因發現量子霍爾效應并開發出測定物理常數的新技術，德國物理學家馮·克里津獲得了1985年諾貝爾物理學獎。4.1磁敏傳感器的物理基礎4.1.4形狀效應圖4.1霍爾效應原理圖4.1磁敏傳感器的物理基礎霍爾效應的物理解說：4.1磁敏傳感器的物理基礎霍爾效應的物理解說：本節要點總結1掌握霍爾效應。2掌握磁阻效應了解形狀效應。34.2霍爾元件霍爾元件是基于霍爾效應工作的。霍爾效應是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果。如圖4.1所示，假設在N型半導體薄片上通以電流I，那么，半導體中的載流子(電子)將沿著和電流相反的方向運動。4.2.1霍爾元件的工作原理4.2霍爾元件4.2.1霍爾元件的工作原理圖4.1霍爾效應原理圖若在垂直于半導體薄片平面的方向上加以磁場B，則由于洛倫茲力fL(fL=evB，其中e為電子電量，v為電子速度，B為磁感應強度)的作用，電子向一邊偏轉(圖中虛線方向)，并使該邊形成電子積累，而另一邊則積累正電荷，于是產生電場。該電場阻止運動電子的繼續偏轉，當電場作用在運動電子上的力fE(fE=eUH／l)與洛倫茲力fL相等時，電子的積累便達到動態平衡。這時，在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應的電勢就稱為霍爾電勢UH。4.2霍爾元件4.2.1霍爾元件的工作原理4.2霍爾元件4.2.1霍爾元件的工作原理其大小可用下式表示：

令：

4.2霍爾元件4.2.1霍爾元件的工作原理RH為霍爾常數，KH為霍爾元件的靈敏度。

于是：

UH=KHIB

4.2霍爾元件4.2.1霍爾元件的工作原理霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應強度B。霍爾元件的靈敏度KH是表征對應于單位磁感應強度和單位控制電流的輸出霍爾電壓大小的一個重要參數，一般要求它越大越好。KH與元件材料的性質和幾何尺寸有關，元件越薄，靈敏度就越高。霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成。

霍爾片是一塊矩形半導體薄片，一般采用N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成，霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝。4.2霍爾元件4.2.2霍爾元件的結構4.2霍爾元件4.2.2霍爾元件的結構圖4.2霍爾元件示意圖在長邊的兩個端面上焊有兩根控制電流端引線(見圖中1、1′)，在元件短邊的中間以點的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線(見圖中2、2′)。焊接處要求接觸電阻小，且呈純電阻性質(歐姆接觸)。霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝。在電路中，標注時，國產器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數字代表產品序號。圖4.3霍爾元件的符號4.2霍爾元件4.2.3基本電路通常在電路中，霍爾元件可用如圖4.3所示的幾種符號表示，其中圖(c)為日本規定的霍爾元件的符號，圖(d)為我國國家標準規定的霍爾元件的符號。圖4.4示出了霍爾元件的基本電路。在磁場與控制電流的作用下，負載上就有電壓輸出。在實際使用時，I、B或兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于I或B，或正比于兩者的乘積。4.2霍爾元件4.2.3基本電路4.2霍爾元件4.2.3基本電路圖4.3霍爾元件的基本電路在實際應用中，霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下工作，其特性不一樣。究竟應用采用哪種方式，要根據用途來選擇。4.2霍爾元件4.2.3基本電路1.恒壓工作4.2霍爾元件4.2.3基本電路圖4.5恒壓工作的霍爾傳感器電路恒壓工作比恒流工作的性能要差一些，只適用于對精度要求不太高的場合。1.恒壓工作4.2霍爾元件4.2.3基本電路圖4.5恒壓工作的霍爾傳感器電路在恒壓條件下性能不好的主要原因是霍爾元件輸入電阻隨溫度變化和磁阻效應的影響。輸入電阻的溫度系數因霍爾元件的材料型號而異。1.恒壓工作4.2霍爾元件4.2.3基本電路為了充分發揮霍爾傳感器的性能，最好使用恒流源供電，即恒流工作，電路如圖4.6所示。在恒流工作時，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應的影響。2.恒流工作4.2霍爾元件4.2.3基本電路圖4.6恒流工作的霍爾傳感器電路霍爾元件的輸出電壓一般為數毫伏到數百毫伏，需要用放大電路放大其輸出電壓。3.差分放大4.2霍爾元件4.2.3基本電路4.2霍爾元件4.2.3基本電路圖4.7霍爾傳感器的測量電路4.2霍爾元件4.2.3基本電路圖4.7霍爾傳感器的測量電路霍爾開關4.2霍爾元件4.2.3基本電路霍爾開關4.2霍爾元件4.2.3基本電路表面貼霍爾傳感器4.2霍爾元件4.2.3基本電路霍爾電流傳感器4.2霍爾元件4.2.3基本電路霍爾電流傳感器4.2霍爾元件4.2.3基本電路霍爾電流傳感器4.2霍爾元件4.2.3基本電路4.2霍爾元件4.2.4電磁特性霍爾元件的電磁特性包括控制電流與輸出之間的關系，霍爾輸出與磁場之間的關系等。1.UH——I特性固定磁場B，在一定溫度下，霍爾輸出電勢UH與控制電流I之間呈線性關系(見圖4.9)。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，用KI表示。按照定義，控制電流靈敏度KI為

2.UH——I特性4.2霍爾元件4.2.4電磁特性由UH=KHIB，可得到

KI=KHB霍爾元件的靈敏度KH越大，控制電流靈敏度也就越大。但靈敏度大的元件，其霍爾輸出并不一定大。這是因為霍爾電勢在B固定時，不但與KH有關，還與控制電流有關。因此，即使靈敏度不大的元件，如果在較大的控制電流下工作，那么同樣可以得到較大的霍爾輸出。1.UH——I特性4.2霍爾元件4.2.4電磁特性圖4.9霍爾元件的UH-I特性曲線2.UH——B特性4.2霍爾元件4.2.4電磁特性固定控制電流，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加并不完全呈線性關系，而是有所偏離。通常，霍爾元件工作在0.5Wb／m2以下時線性度較好圖4.9霍爾元件的UH-B特性曲線4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償在實際應用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電熱中疊加著各種誤差電勢。這些誤差產生的主要原因有兩類：一類是制造工藝的缺陷；另一類是半導體本身固有的特性。4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償1.不等位電勢及其補償由于在制作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上,因此，當控制電流I流過元件時，即使磁場強度B等于零，在霍爾電極上仍有電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢。在分析不等位電勢時，我們把霍爾元件等效為一個電橋。4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償2.溫度誤差及其補償圖4.12霍爾元件的等效電路4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償1.不等位電勢及其補償電橋臂的四個電阻分別為r1、r2、r3、r4。當兩個霍爾電極在同一等位面上時，r1=r2=r3=r4，電橋平衡，這時輸出電壓Uo等于零；當霍爾電極不在同一等位面上時,如圖4.11所示，圖4.11不等位電勢示意圖4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償1.不等位電勢及其補償由于r3增大，r4減小，則電橋失去平衡，因此,輸出電壓Uo就不等于零。恢復電橋平衡的辦法是減小r2、r3。在制造過程中如確知霍爾電極偏離等位面的方向，則應采用機械修磨或化學腐蝕元件的方法來減小不等位電勢。對已制成的霍爾元件外接補償電路。4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償2.溫度誤差及其補償由于半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會隨溫度的變化而發生變化，因此，霍爾元件的性能參數(如內阻、霍爾電勢等)對溫度的變化也是很靈敏的為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數小的元件(如砷化銦)或采用恒溫措施外，用恒流源供電往往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是減小元件內阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償2.溫度誤差及其補償但采用恒流源供電還不能完全解決霍爾電勢的穩定性問題，還必須結合其他補償電路。4.2霍爾元件4.2.5誤差分析及誤差補償2.溫度誤差及其補償利用元件內阻溫度特性和一個補償電阻就能自動調節流過霍爾元件的電流大小，從而起到補償作用。4.2霍爾元件霍爾元件的特性參數：4.2.5誤差分析及誤差補償1．輸入電阻Ri霍爾元件兩控制電流端的直流電阻稱為輸入電阻Ri

。它的數值從幾十歐到幾百歐，視不同型號的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入控制電流I變大，最終引起霍爾電動勢變大。為了減小這種影響，最好采用恒流源作為激勵源。4.2霍爾元件霍爾元件的特性參數：4.2.5誤差分析及誤差補償2．輸出電阻R0兩個霍爾電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻R0，它的數值與輸入電阻為同一數量級。它也隨溫度改變而改變。選擇適當的負載電阻RL與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電動勢的漂移減至最小。4.2霍爾元件霍爾元件的特性參數：4.2.5誤差分析及誤差補償3．靈敏度

霍爾靈敏度與霍爾系數成正比而與霍爾片的厚度d成反比，即KH=RH/d，它通常可以表征霍爾常數。4.2霍爾元件霍爾元件的特性參數：4.2.5誤差分析及誤差補償4．最大控制電流Im

由于霍爾電勢隨控制電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的控制電流。但控制電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規定了相應的最大控制電流Im，它的數值從幾毫安至幾十毫安。4.2霍爾元件霍爾元件的特性參數：4.2.5誤差分析及誤差補償5．工作溫度

表示在這樣一個環境溫度下，霍爾元件能正常工作。本節要點總結1掌握霍爾元件的工作原理及霍爾電勢。2掌握霍爾元件的結構、基本電路、供電方式及差分放大電路。3掌握霍爾元件的誤差分析及誤差補償。4.3磁阻元件利用半導體的磁阻效應和形狀效應，目前已研制出對磁場敏感的元件——磁阻元件。這種磁阻元件像電阻元件一樣，有兩個端子，結構簡單，連接方便。4.3磁阻元件4.3.1長方形磁阻元件長方形磁阻元件其長度L大于寬度b，在兩端制成電極，構成兩端器件。長方形磁阻元件的工作原理是：在固體中由于雜質原子和晶格振動，阻礙電子運動，這種阻礙的存在使電子運動速度可減到零。4.3磁阻元件4.3.1長方形磁阻元件4.3磁阻元件4.3.2科爾賓元件科爾賓（Corbino）元件為圓盤形元件，在圓盤形元件的外圓周邊和中心處裝上電流電極，將具有這種結構的磁阻元件稱為科爾賓元件。圖4.17科爾賓元件的結構本節要點總結1掌握長方形磁阻元件的結構及其工作原理。2掌握科爾賓元件結構及其工作原理。4.4磁敏二極管磁敏二極管是電特性隨外部磁場改變而顯著變化的器件。是一種新型半導體磁敏元件。更確切的說，磁敏二極管是一種電阻隨磁場的大小和方向均改變的結型二端器件。與普通二極管區別：普通二極管PN結的基區很短，以避免載流子在基區里復合，磁敏二極管的PN結卻有很長的基區（i區），大于載流子的擴散長度，但基區是由接近本征半導體的高阻材料構成的。在i區的一個側面上打毛，設置成高復合區（r區），而與r區相對的另一側面保持為光滑無復合表面。4.4磁敏二極管4.4.1磁敏二極管的結構4.4磁敏二極管4.4.1磁敏二極管的結構磁敏二極管是利用磁阻效應進行磁電轉換的。磁敏二極管屬于長基區二極管，是p+-i-n+型。圖中，i為本征(完全純凈的、結構完整的半導體晶體)或接近本征的半導體，其長為L，它比載流子擴散長度大數倍，其兩端分別為高摻雜的區域p+、n+。如果本征半導體是弱N型的，則為p+-v-n+型；如是弱P型的，則為p+-π-n+型。4.4磁敏二極管4.4.1磁敏二極管的結構在v或p區一側用擴散雜質或噴砂的辦法制成的高復合區稱為r區，與r區相對的另一側面保持光滑，為低(或無)復合面。4.4磁敏二極管4.4.1磁敏二極管的結構圖4.24鍺磁敏二極管的結構及電路符號4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理對于普通二極管，在加上正向偏置電壓U+時，U+=Ui+Up+Un。式中，Ui為i區壓降，Up、Un分別為pi+、in+結的壓降。4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理若無外界磁場影響，則在外電場的作用下，大部分空穴由p+區向i區注入，而電子則由n+區向i區注入，這就是人們所說的雙注入長基區二極管，其注入i區的空穴和電子數基本相等。由于運動的空間“很大”，因此除少數載流子在體內復合掉之外，大多數分別到達n+和p+區，形成電流，總電流為I=Ip+In。4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理對于磁敏二極管，情況就不同了。當受到正向磁場作用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向r區偏轉，如圖4.25所示。4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理對于磁敏二極管，情況就不同了。當受到正向磁場作用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向r區偏轉，如圖4.25所示。4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理圖4.25磁敏二極管載流子受磁場影響的情況4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理①設無外加磁場:很少空穴和電子復合,有穩定電流。②外加正磁場,載流子都受到洛侖茲力運動偏向r區,電流減小。③外加反向磁場,仍受洛侖茲力,在I區載流子數量增多,電流增大。4.4磁敏二極管4.4.2磁敏二極管的工作原理載流子的偏移與洛侖茲力有關,洛侖茲力與電場和磁場的乘積成正比。隨著磁場大小方向的變化，可以產生輸出正負電壓的變化。結論：1.電流——電壓特性4.4.3磁敏二極管的特性3.溫度特性2.磁電特性4.磁靈敏度4.4磁敏二極管4.4磁敏二極管4.4.4磁敏二極管的補償技術由于磁敏二極管具有隨溫度變化其特性參數變化較大的特點，因此給實際應用帶來了很大的誤差。為了提高測試精度，必須進行補償處理。常用的補償電路有以下四種：互補式、差分式、全橋式、熱敏電阻式。4.4磁敏二極管4.4.4磁敏二極管的補償技術使用該電路時，應選用特性相近的兩只管子，按相反磁極性組合，即管子磁敏感面相對或相背重疊放置，或選用磁敏對管，將兩只管子串接在電路上。1.互補式溫度補償電路圖4.33熱敏電阻式溫度補償電路4.4磁敏二極管4.4.4磁敏二極管的補償技術熱敏電阻式溫度補償電路如圖4.33(b)所示。2.熱敏電阻式溫度補償電路圖4.33熱敏電阻式溫度補償電路本節要點總結1掌握磁敏二極管的結構。2掌握磁敏二極管的工作原理。磁敏三極管是在磁敏二極管的基礎上研制出來的。磁敏三極管有NPN型和PNP型結構，按照所選用半導體材料又可分為Ge磁敏三極管和Si磁敏三極管。4.5磁敏三極管4.5.1磁敏三極管的結構Ge磁敏三極管的結構及電路符號如圖4.34所示，它是在弱P型準本征半導體上用合金法或擴散法形成三個極，有發射極e、基極b、集電極c，相當于在磁敏二極管長基區的一個側面制成一個高復合區r。1.Ge磁敏三極管的結構4.5磁敏三極管4.5磁敏三極管1.Ge磁敏三極管的結構4.5.1磁敏三極管的結構圖4.34

NPN型Ge磁敏三極管的結構和電路符號4.5磁敏三極管2.Si磁敏三極管4.5.1磁敏三極管的結構Si磁敏三極管是用平面工藝制造的，其結構如圖4.35所示。它一般采用N型材料，通過二次硼擴散工藝，分別形成發射區和集電區，然后擴磷形成基區而制成PNP型磁敏三極管。由于工藝上的原因，很少制造NPN型磁敏三極管。4.5磁敏三極管2.Si磁敏三極管4.5.1磁敏三極管的結構圖4.35

Si磁敏三極管的結構如圖4.36(a)所示，當不受磁場作用時，由于磁敏三極管的基區長度大于載流子的有效擴散長度，因此發射區注入的載流