第9章 半导体磁敏传感器

null第九章 半导体磁敏传感器第九章 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器在各种传感器中，磁敏传感器是使用得较早的一种，指南针便是最古老的磁敏传感器。电流通过线圈时，在线圈周围产生磁场，若线圈中的磁通量发生变化，则线圈产生感应电动势，这就是磁电感应现象。因此线圈是将磁量变成电量的最简单的磁电转换元件。如果将磁场加到半导体等材料上，材料的电性质就发生变化，这就是磁电效应。凡是利用磁电效应构成的传感器称为磁电式传感器或磁敏传感器。半导体磁敏传感器是半导体传感器的一种，如霍尔元件、磁阻元件、磁抗元件、磁敏二极管和磁敏三极管。§9-1　霍尔元件§9-1　霍尔元件原理原理 霍尔式传感器是利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电势，即把位移信号转换成电势变化信号的传感器。优缺点：优缺点：优点： 结构简单，体积小，坚固 频率响应宽，动态范围大 无触点，使用寿命长，可靠性高 易于微型化和集成电路化 缺点： 转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时，必须进行温度补偿。 一、霍尔元件 一、霍尔元件 霍尔元件：直角平行六面体的单晶半导体薄片 材料：锗(Ge)、硅(Si)、砷化铟(InSb)等半导体材料。 霍尔元件组成：半导体薄片和两对电极组成输入引线a、b：激励电极 输出引线c、d：霍尔电极 霍尔元件的符号和基本电路霍尔元件的符号和基本电路二、霍尔效应 二、霍尔效应 当输入端加电流I，并在元件平面法线方向加磁感强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生一电势UH，这个电势就是霍尔电势，这种现象就是霍尔效应。 霍尔效应的原因:霍尔效应的原因:任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直方向运动时，会受到磁场力 如果v和B之间有夹角，那么要乘上sin，用向量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示即为 Fl的方向用右螺旋决定，指向由v经小于1800的角转向B，这个Fl就是洛仑兹力，对于正电荷Fl在vB的方向上，至于负电荷，则所受的力的方向正好相反。霍尔电势方向判别：霍尔电势方向判别：P型材料：N型材料：左手定则： 四指——指向电流 B ——穿过手心 大拇指——指向的是力的方向霍尔电势：霍尔电势：三、霍尔系数及灵敏度 三、霍尔系数及灵敏度 霍尔系数： 霍尔系数取决于载流子材料的物理性质，反映了材料的霍尔效应的强弱。 n、RH，故金属导体不适于制作霍尔元件，而半导体材料迁移率（尤其是N型半导体）大，故RH 。 n —— 自由电子密度 q —— 带电粒子的电量灵敏度和霍尔电势灵敏度和霍尔电势灵敏度： SH表示单位电流、单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。 SH与元件的厚度成反比，d、SH，但考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。 d r内阻 霍尔电势： 四、霍尔元件的误差及其补偿 四、霍尔元件的误差及其补偿 由于制造工艺问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。 （一）、霍尔元件的零位误差及其补偿 （一）、霍尔元件的零位误差及其补偿 霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。 1.不等位电动势U0及其补偿 1.不等位电动势U0及其补偿 当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势，称为不等位电动势U0。 U0产生的原因：U0产生的原因： (1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，如图5-8a所示。 (2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。 采用补偿电路加以补偿 采用补偿电路加以补偿 2.寄生直流电动势 2.寄生直流电动势 当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。 产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。（二）、霍尔元件的温度误差及其补偿 （二）、霍尔元件的温度误差及其补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流于浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。 选用温度系数小的霍尔元件采用适当的补偿电路采用恒流源供电和输入回路并联电阻 合理选取负载电阻RL的阻值 采用恒流源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件采用恒流源供电和输入回路并联电阻 采用恒流源供电和输入回路并联电阻 根据式(5-5)选择输入回路并联电阻RP，可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其他性能。 合理选取负载电阻RL的阻值 合理选取负载电阻RL的阻值 当霍尔元件接有负载RL（如放大器的输入电阻）时，在RL上的电压为 式中 Ro——霍尔元件的输出电阻 Ro0——温度为t0时的输出电阻 为使负载上的电压不随温度而变化，应使 即得 可采用串、并联电阻的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 使上式成立来补偿温度误差。但霍尔元件的灵敏度将会降低。 采用恒流源和输入回路串联电阻 采用恒流源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件 采用温度补偿元件 霍尔元件不等位电势U0的温度补偿 霍尔元件不等位电势U0的温度补偿 五、霍尔式传感器的应用 五、霍尔式传感器的应用 根据霍尔电势的表达式，其应用可用于下述三个方面： 控制电流I不变，传感器处于非均匀磁场中，UHB 。 可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。 磁场不变，即B不变， UHI。 故凡是能转换成电流变化的各量均能测量。 I、B均变化， UHI·B。 可用于乘法、功率等方面的计算与测量。（一）、微位移测量 （一）、微位移测量 (a)曲线对应(a)图的磁路结构，其线性范围窄，而且在位移z=0时，UH  0。 (b)曲线对应(b)图， 当z=0时，B=0，故 UH=0。当z0时，UH0，其值决定于B的大小。这种结构UH与B具有良好线性，且分辨力较高，可达10-6m；另外两块磁钢越短，磁场梯度越大，灵敏度越高。 (c)曲线对应(c)图，磁场梯度很大，所以它的灵敏度很高，但它的测量位移量很小，一般z0.5mm，所以它特别适合于测量微位移以及机械振动的振幅等。产生梯度磁场的磁系统及它们各自的静态特性：霍尔式微压、压力传感器 霍尔式微压、压力传感器 差动式霍尔传感器原理差动式霍尔传感器原理 UH= UH1-UH2 讨论： (1)当霍尔元件在平衡位置时，UH1= UH2，则UH=0； (2) 当霍尔元件向右位移x，UH1, UH2，UH= UH1-UH2=- UH (3) 当霍尔元件向左位移x，UH1, UH2，UH= UH1-UH2=  UH霍尔式加速度传感器 霍尔式加速度传感器 霍尔式机械振动传感器 霍尔式机械振动传感器 （二）、霍尔式转速传感器 （二）、霍尔式转速传感器 总结总结§9-2　磁阻元件§9-2　磁阻元件一、磁阻效应与磁阻元件一、磁阻效应与磁阻元件磁阻器件类似于霍尔器件，当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会产生霍尔效应引起的霍尔电势，而且还会出现半导体电阻率增大的现象。这种现象称为磁阻效应(或称为高斯效应)。 磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。null磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元件，这种元件的电阻值能够随着磁场的增加而增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄，它是在0.1~0.5mm的绝缘基片上蒸镀上约20~25μm的一层半导体材料制成的，也有在半导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻，将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSb—NiSb(共晶型)和薄膜型等。null二、磁阻元件的主要特性二、磁阻元件的主要特性一般地如果金属栅条之间的距离不是非常接近，那么在弱磁场B作用下，即tgθ<<1时，元件的电阻变化呈平方特性，用下式表示在强磁场B作用下，即tgθ>>1时，元件的电阻变化呈线性特性，用下式表示二、磁阻元件的主要特性二、磁阻元件的主要特性 (1)电阻变化与磁感应强度的关系。因材料不同，磁阻相对变化与磁感应强度B的变化关系如图9-14所示。L和D为不同掺杂的InSb-NiSb。由图可知磁感应强度小于0.3T时，电阻变化与磁感应强度成平方关系；当大于0.3T时则成线性关系。null(2)相对灵敏度Sr。磁敏电阻的相对灵敏度是磁感应强度为0.3T(或1T)时电阻值RB与零磁场电阻值R0之比，即Sr= RB / R0 。 (3)温度特性。磁敏电阻材料是一种受温度影响极大的材料，温度系数和磁场的关系如图9-15所示。 (4)标称阻值及额定功率。磁敏电阻大部分和半导体电路配合使用，电阻为50~500Ω的元件已满足需要。磁敏电阻的额定功率在环境温度低于80OC时为几毫瓦。三、磁阻元件的应用三、磁阻元件的应用从应用来看，磁阻元件具有两种功能，一是具有本身电阻可改变的功能，另一是和电流结合起来实现乘法运算的功能。同时磁阻元件的电阻变化有平方特性和线性特性，流过磁阻元件的电流可以是交流的，也可以是直流的，因此可进行不同的组合，应用范围相当广泛。下面介绍几个在测试技术中常用的例子。三、磁阻元件的应用三、磁阻元件的应用 (1)磁通计。用比例型磁阻元件制作的磁通计能够直接读出磁通密度，一般用于磁通密度大于0.3T以上的测量。磁阻效应磁通计特别适宜于测量密度较高的脉冲磁场，还可用于测量超导磁体。高灵敏度磁通计是利用两个平方特性的磁阻元件在弱磁场作用下具有很高灵敏度这一原理制成的一种磁通计。 (2)位移计。图9-16所示是一个利用差动式磁阻元件的电压分压比随永久磁铁的位置而变化的性质制作的位移传感器。如果将永久磁铁和磁阻元件配置成圆形，则不仅可测出直线位移，还可模拟检测出转角。 三、磁阻元件的应用三、磁阻元件的应用(3)无触点点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时会使元件阻值增大，再根据需要将信号放大或直接驱动晶体管，就可以实现无触点开关功能或计数功能。电路如图9-17所示。§9-3 磁敏二极管和磁敏三极管§9-3 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管是由锗或硅半导体材料制成的，其中二极管具有长基区的P+一i一N+型的二极管结构，磁敏三极管则是具有双极型晶体管结构的磁电转换元件。一、磁敏二极管一、磁敏二极管(一)结构原理 磁敏二极管是利用电子和空穴双注入效应和复合效应原理制成的元件。磁敏二极管的两端是高掺杂的半导体P+和N+，中间是一个较长的本征半导体i，它不像普通二极管的P型和N型半导体直接接触，在接触面附近形成PN结。磁敏二极管的P+型和N+型半导体不直接接触。因此它又叫P+一i一N+型长二极管，其结构符号和工作原理如图9-18所示。null(一)结构原理(一)结构原理这种二极管的特点是在长基区(i区)的一侧设置了载流子高复合区r，r区对面则是复合速率很低的光滑表面。当元件施加正向电压时，在无磁场情况下，P+区的空穴和N+区的电子分别流入N+区和P+区形成电流，仅有少量电子和空穴在i区复合掉。当加上正向磁场B+时，由于洛仑兹力的作用使电子和空穴偏向r区，并在r区很快复合掉，这时i区的载流子密度减小，使i区的电阻增加，电流减小，i区电压降增大，而P+i结和N+i结上的电压降减小，促使注入i区的载流子数量下降，使i区电流进一步减小，直到某一稳定状态为止。(一)结构原理(一)结构原理在反向磁场B+作用下，电子和空穴向r区的对面偏转，复合数量减小，于是i区的载流子密度增加，电阻减小，电流增加，i区的电压降减小，结果P+i结和N+i结上电压降增加，促使载流子向i区注入，直到电阻值减小到某一稳定状态为止。因此磁敏二极管的工作原理就是这种电子和空穴双注入效应和复合效应的结合。由于存在正反馈作用，所以这种元件具有很高的灵敏度。 磁敏二极管只有在正向偏压下，流过二极管的电流随磁场的变化而改变，才具磁敏现象，在反向偏压下．因为漏电流很小，所以不出现磁敏现象。(二)磁敏二极管的主要特性(二)磁敏二极管的主要特性 (1)伏安特性。磁敏二极管所加正向偏压与二极管流过电流的关系称为伏安特性，不同磁场作用下，其伏安特性不同。(二)磁敏二极管的主要特性(二)磁敏二极管的主要特性 (2)磁电特性。磁敏二极管输出电压的变化与外加磁场的关系称为磁电特性。(二)磁敏二极管的主要特性(二)磁敏二极管的主要特性 (3)温度特性。磁敏二极管随着温度的变化输出电压发生变化，灵敏度也随之变化，如图9-21所示。(二)磁敏二极管的主要特性(二)磁敏二极管的主要特性(4)频率特性。磁敏二极管相对于磁场和脉冲电源的频率特性取决于载流子在本征区域内的渡越时间，因而频率特性与元件的尺寸大小有关。锗磁敏二极管在50kHz时的灵敏度将下降3dB。硅磁敏二极管的尺寸小，载流子复合时间短，因此频率特性比锗管好，上限频率可达100kHz。(三)磁敏二极管的应用(三)磁敏二极管的应用磁敏二极管是一个二端子元件，与磁阻元件类似，但不是纯电阻性的，电阻值和灵敏度随外加电压变化，不符合欧姆定律。采用交流电压工作时要加偏置磁场，以避免在负电压区工作，它能判明磁场的正、反向，对应正、反向磁场输出极性要改变，在弱磁场下与磁场强度成正比；灵敏度高，输出阻抗大，不能直接进行功率控制。磁敏二极管的主要缺点是温度特性、频率特性、电压对磁场的线性、漂移等不如霍尔元件的好，但使用尚不成严重问题。(三)磁敏二极管的应用(三)磁敏二极管的应用(1)磁场测量。用磁敏二极管制成磁通计，可以测量小于10-6~10-7T的弱磁场，例如测量变压器漏磁分布、阴极射线管偏转磁场分布等等。磁敏二极管的出现使磁力探伤仪测量探头进入实用阶段，实现了导磁材料探伤自动化。用磁敏二极管还可制成磁电指向仪、磁力探矿仪和地磁测量仪。 (2)电流检测。磁敏二极管可以用于钳形电流计来测量大电流，还可用于电动机过载保护装置，当电流超过额定值时，切断电源，防止线包烧毁。null(3)位移检测。通过磁铁和磁敏二极管的相对距离变化，使得加在磁敏二极管上的磁场强度发生变化从而测量位移。因此距离、转速、振动以及能转换成上述量的物理量均可用同样的方法无接触地检测。用磁敏二极管比用线圈可使整个测量系统简单、方便。 (4)无触点电位器。图9-23为无触点电位器的两种使用形式。图中，(a)线路加适当的直流偏置后可获得较高的信号增益，(b)线路采用单级场效应管作为可变电位器。(三)磁敏二极管的应用(三)磁敏二极管的应用(5)无触点开关。磁敏二极管与施密特触发器组成开关电路，作无触点开关，可用作机床的起动开关、防盗装置、自动线上的计数和控制装置以及 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 机械上的安全操作控制等。其特点是无触点磨损，可靠性高，无振动环节，不产生火花。二、磁敏三极管二、磁敏三极管磁敏三极管是在双注入长基区二极管的基础上制成的一种结型磁敏晶体管。 (一)磁敏三极管的结构原理 磁敏三极管分为锗磁敏三极管(如3BCM型)和硅磁敏三极管(如3CCM型)两种。它是在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射区、基区和集电区，和普通三极管一样也引出三个电极，用e、b、c表示。图9-24为NPN型磁敏三极管的结构和符号。null像磁敏二极管一样，在长基区的一个侧面制成高复合区r。长基区分为运输基区和复合基区。复合区的体积比从发射极到集电极的运输区的体积大得多。当不受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子大部分通过e—i—b形成基极电流Ib，少部分载流子被传输到集电极c形成集电极电流Ic。因而形成了基极电流大于集电极电流的情况，使电流放大系数β= Ic/Ib<1 ，如图9—25(a)所示。null当受到正向磁场B+作用时，由于磁场力的作用，载流子偏向高复合区r一侧，增大了载流子的复合速率，使集电极电流Ic 减小，如图9-25(b)所示。 当反向磁场B-作用时，在磁场力的作用下，载流子向集电极c一侧偏转，载流子的复合速率减小，使集电极电流Ic增大，如图9-25(c)所示。 由上述 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 可知，磁敏三极管的集电极电流Ic随着外界磁场的变化而变化，具有较高的磁灵敏度。(二)主要特性(二)主要特性 (1)磁电特性。磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应强度近似为线性关系。 (2)伏安特性。磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特性相似，但电流放大倍数β<1。图9-26为其伏安特性曲线。(二)主要特性(二)主要特性 (3)温度特性。磁敏三极管受温度影响较大，使用时必须进行温度补偿。硅磁敏三极管的温度系数为负、锗为正，因此可采用相反温度系数的普通三极管或磁敏二极管及电阻进行补偿。 一般来讲。凡是应用霍尔元件、磁敏二极管的场合均可用磁敏三极管代替。但磁敏三极管的灵敏度比二极管大几倍至十几倍，其工作电压也较宽，由于磁灵敏度高，因此可以用来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量，也可用于磁力探伤、接近开关、位置控制、速度测量和各种工业过程自动控制等技术领域。