《半导体磁敏传感器》PPT课件.ppt

第九章第九章半导体磁敏半导体磁敏传感器传感器简简 介介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由磁敏式传感器都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电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。（而制成。（磁电效应磁电效应）按其结构可分为按其结构可分为体型和结型体型和结型两大类。两大类。体型的有体型的有霍尔传感器霍尔传感器，其主要材料，其主要材料InSb(InSb(锑锑化铟化铟)、InAsInAs（砷化铟）、（砷化铟）、GeGe（锗）、（锗）、SiSi、GaAsGaAs等和等和磁敏电阻磁敏电阻InSbInSb、InAsInAs。结型的有结型的有磁敏二极管磁敏二极管GeGe、Si,Si,磁敏晶体管磁敏晶体管SiSi应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。9.1.1 霍尔效应霍尔效应图图9-1 9-1 霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB9.1 9.1 霍尔传感器霍尔传感器 所以，霍尔电压所以，霍尔电压UH可表示为可表示为 UHH=EH b=vBb (9-3)设霍尔元件为设霍尔元件为N N型型半导体，当它通电流半导体，当它通电流I I时时 FL=qvB (9-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有衡，这时有 qEH=qvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 EH=vB （9-2）流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 I=dQ/dt=bdvnq得：得：v=I/nqbd (9-4)所以：所以：UH H=BI/nqd 若取若取 RH H=1/nq 则则 RH被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数。显然，。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反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。映材料霍尔效应的强弱。设设KH即为即为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度，它表示一个，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应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强度时产生的霍尔电压的大小.单位是单位是mV/（mAT）9.1.2 霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路 基于霍尔效应工作的半导体器件称为基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用霍尔元件，霍尔元件多采用N N型半导体型半导体材料。霍尔元件越薄材料。霍尔元件越薄(d d 越小越小)，K KH H 就就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。和壳体组成，如图所示。1 构构 造造霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为一般为4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面，它的长度方向两端面上焊有上焊有a、b两根引线，通常用两根引线，通常用红色导线红色导线，其，其焊接处称为焊接处称为控制电极控制电极；在它的另两侧端面的；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输两根霍尔输出引线，通常用出引线，通常用绿色导线绿色导线，其焊接处称为，其焊接处称为霍霍尔电极尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗件材料有锗(Ge)、硅、硅(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)、砷化铟砷化铟(InAs)等半导体材料。等半导体材料。2 测量电路测量电路W1W2UHUH（a a）基本测量电路）基本测量电路WUHRLE（b b）直流供电输出方式（）直流供电输出方式（c c）交流供电输出方式）交流供电输出方式9.1.3 霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参数1.1.灵敏度灵敏度K KH H霍尔元件在单位激励电流和单位磁场感应强霍尔元件在单位激励电流和单位磁场感应强度作用下的的空载度作用下的的空载霍尔电压霍尔电压。2.2.输入电阻输入电阻R Ri i i i和输出电阻和输出电阻R RO OO OR Ri i i i是指控制电流极之间的电阻值。是指控制电流极之间的电阻值。R R0 0 0 0指霍尔元件电极间的电阻。指霍尔元件电极间的电阻。R Ri i i i 、R R0 0 0 0可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。减小减小d d；选好的半导体材料；选好的半导体材料4.4.不平衡电势不平衡电势U0和不等位电阻和不等位电阻r0在额定控制电流在额定控制电流I I下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。不等位电势与额定激励间的空载霍尔电势。不等位电势与额定激励电流之比称为不等位电阻电流之比称为不等位电阻r ro o3.额定激励电流额定激励电流I当霍尔元件的电流使其本身在空气中产生当霍尔元件的电流使其本身在空气中产生10oC温升时对应的激励电流称为额定激励温升时对应的激励电流称为额定激励电流。电流。5.5.霍尔温度系数霍尔温度系数 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化变化1C1C时，霍尔电势变化的百分率。时，霍尔电势变化的百分率。即：即：9.1.4 9.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1 1.零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法（a a a a）不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势 （b b b b）霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4(a)(b)图图95 不等位电势及霍尔元件等效电路不等位电势及霍尔元件等效电路几种常用补偿方法几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C （a）（b）WABCD (b)WCABD 图图9-4 恒流源温度补偿电路恒流源温度补偿电路U UHHI II IHH当温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，当温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，在在I为定值时通过霍尔元件的激励电流为定值时通过霍尔元件的激励电流IH减少，减少，而通过分流电阻而通过分流电阻Rp的电流的电流Ip增大，从而达到补偿增大，从而达到补偿的目的。的目的。I IP P2 2.温度误差及补偿温度误差及补偿R Rp p霍尔元件电阻霍尔元件电阻霍尔元件电阻霍尔元件电阻温度系数温度系数温度系数温度系数 霍尔元件电势霍尔元件电势霍尔元件电势霍尔元件电势温度系数温度系数温度系数温度系数 当当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在在这种情况下，只考虑在输入端输入端进行补偿进行补偿即可。即可。若采用若采用恒流源恒流源，输入电阻随温度变化而引，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。入端的温度影响。利用恒流源进行补偿利用恒流源进行补偿霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。或控制。1.霍尔高斯计；霍尔高斯计；2.霍尔位移传感器；霍尔位移传感器；3.霍尔角位移传感器和转速传感器霍尔角位移传感器和转速传感器9.1.5 9.1.5 霍尔式传感器的典型应用霍尔式传感器的典型应用例例9-1 9-1 检测磁场检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之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，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。成线性正比的电压。图图9-7 9-7 霍尔位移传感器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，从上，右半部磁场方向向下，从 a a端通人电流端通人电流I I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势V VH1H1，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势V VH2H2，其方向相反。，其方向相反。因此，因此，c c、d d两端电势为两端电势为V VH1H1VVH2H2。如果霍。如果霍尔元件在初始位置时尔元件在初始位置时V VH1H1=V=VH2H2，则输出为零；，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，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。即可得到输出电压，其大小正比于位移量。例例9-2 9-2 霍尔转速传感器霍尔转速传感器图图9-9 9-9 霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器（a a）（b b）9.2.1 9.2.1 磁阻效应磁阻效应当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度强度B B的平方成正比。的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，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：理论推导出来的磁阻效应方程为：9 9.2 .2 磁敏电阻器磁敏电阻器电阻率的相对变化电阻率的相对变化可以看出可以看出 ，在磁感应强度，在磁感应强度一定时，迁移一定时，迁移率越高的材料（如率越高的材料（如InSbInSb、InAsInAs、NiSbNiSb等等半导体材料）磁阻效应越明显。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。流的流动路径因磁场的作用而加长所致。9.2.2 9.2.2 磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与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。宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。（a）（b）BIBlIb长方形磁阻器件只长方形磁阻器件只有在有在lb的长方形磁阻材的长方形磁阻材料上面制作许多平料上面制作许多平行等间距的金属条行等间距的金属条（即短路栅格），（即短路栅格），以以短路霍尔电势短路霍尔电势.图图9-119-11（a a）（）（b b）长方长方形磁阻器件形磁阻器件图图9-119-11（C C）圆盘形磁阻器件圆盘形磁阻器件(a)(b)B B圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。9.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1.灵敏度特性灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受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，用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即即磁场磁场 电阻变化率特性曲线的斜率电阻变化率特性曲线的斜率。在运算时常用在运算时常用RB/R0求得，求得，R0表示无磁场表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，情况下磁阻元件的电阻值，RB为施加磁感为施加磁感应强度时磁阻元件的电阻值。应强度时磁阻元件的电阻值。2.电阻电阻 温度特性温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的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，一般都要设计温度快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。补偿电路。磁敏二极管的磁敏二极管的P P型和型和N N型电极由高阻材料制型电极由高阻材料制成成，在，在P P、N N之间有一个较长的之间有一个较长的本征区本征区I I。本。本征区征区I I的一面磨成光滑的的一面磨成光滑的无复合表面无复合表面（为（为I I区）区），另一面打毛，设置成，另一面打毛，设置成高复合区高复合区（为（为r r区），区），因为电子因为电子空穴对易于在粗糙表面复合而消空穴对易于在粗糙表面复合而消失。失。9.3.1 磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性9.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管1.磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构+图图9-18 磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图（a a）结构）结构）结构）结构 （b b）符号）符号）符号）符号P P+N N+I I区区区区r r区区区区当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压后，则有大量的空穴从加正向偏压后，则有大量的空穴从P P区通过区通过I I区进入区进入N N区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入P P区，区，形成电流。只有少量电子和空穴在形成电流。只有少量电子和空穴在I I区复合区复合掉。掉。2.磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 P P+N N+I I区区区区r r面面面面当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，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则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r r区区偏转，由于偏转，由于r r区的电子和空穴复合速度比光区的电子和空穴复合速度比光滑面滑面I I区快，因此，形成的电流因复合速度区快，因此，形成的电流因复合速度而减小。而减小。P P+N N+I I区区区区r r面面面面HH+当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，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电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向I I区区偏移，由于电子和空穴复合率明显变小，偏移，由于电子和空穴复合率明显变小，因此，电流变大。因此，电流变大。P P+N N+I I区区区区r r面面面面HH-利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其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。电流发生变化，于是就实现磁电转换。（a a）（b b）（c c）图图9-18 9-18 磁敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图P P+N N+I I区区区区r r面面面面HH-P P+N N+I I区区区区r r面面面面HH+P P+N N+I I区区区区r r面面面面 （三）、磁敏二极管的主要特性（三）、磁敏二极管的主要特性 1.1.磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极磁电特性：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。管输出的电压变化与外加磁场的关系。（a a）单只使用）单只使用 （b b）互补使用）互补使用B B/0.1T/0.1T2.02.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.0 U U/V/VB B/0.1T/0.1T2.02.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.0 U U/V/V2.2.伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系。上电流的关系。不同磁场强度不同磁场强度H H作用下，磁敏二极管伏安特作用下，磁敏二极管伏安特性不同。例锗磁敏二极管的伏安特性。性不同。例锗磁敏二极管的伏安特性。1 13 35 57 79 92 21.51.51 10.50.50 0-0.5-0.5-1-1-1.5-1.5-2-2 U(V)U(V)I(mA)I(mA)3.3.温度特性：在标准测试条件下，输出电温度特性：在标准测试条件下，输出电压变化量随温度的变化。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。一般比较大。实际使用必须进行温度补偿。硅管的使用温度是硅管的使用温度是-40C85C-40C85C，锗管是，锗管是-4065C-4065C。T T/0 0202040400.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0E=E=6V6VB B=0.1T=0.1T80806060-20-20-5-5-4-4-3-3-2-2-1-1I I U UI/mAU/V图图9-22 9-22 温度补偿电路温度补偿电路E ER Rm1m1R Rm2m2R R2 2R R1 1U U0 0R Rm1m1E EU U0 0R Rm2m2R Rt tE EU U0 0R RmmR Rm1m1R Rm2m2R Rm3m3R Rm4m4E EU U0 0常用的补偿电路常用的补偿电路:1.1.磁敏三极管的结构与工作原理磁敏三极管的结构与工作原理在弱在弱P P型或弱型或弱N N型本征半导体上用合金法或扩散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，有高复合速率的结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r r区和本区和本征征I I区。长基区分为运输基区和复合基区。区。长基区分为运输基区和复合基区。9.3.2 9.3.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性磁敏三极管的工作原理和主要特性(a)结构结构 (b)符号符号c cN N+e eHH-HH+b bI Ir rN N+P P+当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区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，大部分载宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过流子通过e-I-be-I-b形成基极电流，少数载流子形成基极电流，少数载流子输入到输入到c c极。因极。因而形成基极电流而形成基极电流大于集电极电流大于集电极电流的情况，使的情况，使 l l。工作原理工作原理:N N+N N+e eP P+x xI Ir rb bc cy y 当受到正向磁场当受到正向磁场(H(H+)作用时，由于磁场的作作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，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，当反向磁场导致集电极电流显著下降，当反向磁场(H(H-)作用时，在作用时，在HH-的作用下，载流子向集电极一的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。侧偏转，使集电汲电流增大。N N+N N+e eP P+x xr rb by yc cI IN N+N N+e eP P+x xI Ir rb bc cHH-y y图图9-25 9-25 磁敏三极管工作原理磁敏三极管工作原理N N+N N+e eP P+x xI Ir rb bc cy yHH+N N+N N+e eP P+x xI Ir rb bc cHH-y yN N+N N+e eP P+x xr rb by yc cI I（a a）(b)(c)(b)(c)由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作由此可知、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。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可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1 1。(1)伏安特性伏安特性2.磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性I Ib b=0=0I Ib b=5mA=5mA1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 02 24 46 68 81010U Ucece/V/VI Ic c/mA/mAI Ib b=4mA=4mAI Ib b=3mA=3mAI Ib b=2mA=2mAI Ib b=1mA=1mAU Ucece/V/VI Ib b=3mA,=3mA,B B-=-0.1T=-0.1T1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 02 24 46 68 81010I Ic c/mA/mAI Ib b=3mA,=3mA,B B=0=0I Ib b=3mA,=3mA,B B+=0.1T=0.1T(1)(1)为不受磁场作用时为不受磁场作用时为不受磁场作用时为不受磁场作用时(2)(2)磁场为磁场为磁场为磁场为 0.1T 0.1T 基极为基极为基极为基极为3mA3mA(2)(2)磁电特性磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产右图为国产NPNNPN型型(锗锗)磁敏三极管的磁电磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用特性，在弱磁场作用下，曲线接近下，曲线接近一条直线。一条直线。-3 -2 -1 1 2 3 4 5-3 -2 -1 1 2 3 4 5B B/0.1T/0.1T I Ic c/mA/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.1 图图 （锗）磁敏三极管的磁电特性（锗）磁敏三极管的磁电特性(3)(3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿 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。对于锗磁敏三极管磁灵敏进行温度补偿。对于锗磁敏三极管磁灵敏度的温度系数为度的温度系数为/0 0C C；硅磁敏三极管磁；硅磁敏三极管磁灵敏度的温度系数为灵敏度的温度系数为/0 0C C。因此，实际因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。