传感器课件刘笃仁版第4章 磁敏传感器.ppt

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1、第4章磁敏传感器4.1磁敏传感器的物理基础——霍尔、磁阻、形状效应4.2霍尔元件4.3磁阻元件4.4磁敏二极管4.5磁敏三极管4.6磁敏传感器的应用思考题与习题7/22/2021磁敏传感器通常指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器。磁敏传感器主要是利用霍尔效应及磁阻效应原理构成的。构成磁敏传感器的敏感元件有霍尔元件、磁阻元件、磁敏晶体管、磁敏集成电路。7/22/20214.1磁敏传感器的物理基础——霍尔、磁阻、形状效应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而制成。按其结构可分为体型和结

2、型两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。结型的有磁敏二极管Ge、Si,磁敏晶体管Si应用范围可分为模拟用途和数字用途。7/22/20214.1.1霍尔效应有一如图4.1所示的半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。7/22/20217/22/2021图7-1霍尔效应UHbldI

3、FLFEvB若薄片为N型，控制电流I自左向右,多数载流子电子沿与I反向运动，B使电子受到LorentzFL而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电子带正电，前后端面间形成电场积累越多，电场越强…….当FL与FE相等时的电场为EH，相应的电势为霍尔电势UH。7/22/20214.1.2磁阻效应将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁致电阻效应，简称为磁阻效应。BIBlIb7/22/2021式中：B——磁感应强度；μ——电子迁移率；ρ0——零磁场下的电阻率；ρB——磁感应强度为B时的电

4、阻率。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为：在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化.7/22/2021则电阻率的相对变化为：由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb（锑化铟）和InAs（砷化铟）等半导体的载流子迁移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。设电阻率的变化为:7/22/2

5、021磁阻的大小除了与材料有关外，还和磁敏元件的几何形状有关。在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：式中：f(l／b)为形状效应系数；l为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。4.1.3形状效应7/22/20214.2霍尔元件4.2.1霍尔元件工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。7/22/2021如图4.1所示，假设在N型半导体薄片上通以电流I，那

6、么半导体中的载流子（电子）将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B，则由于洛伦兹力fL(fL=evB）的作用，电子向一边偏转（图中虚线方向），并使该边形成电子积累，而另一边则积累正电荷，于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转，当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUH／b)与洛伦兹力fL相等时，电子的积累便达到动态平衡。7/22/2021(伏·米2／(安·韦伯)，即V·m2／(A·Wb))KH称为霍尔元件的灵敏度。于是：UH=KHIB(4.3)这时在薄片两横端面之间建立的电场称为霍

7、尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势UH，其大小可用下式表示：(4.1)式中：RH——霍尔常数（米3／库仑，即m3／C）；I——控制电流（安培，即A）；B——磁感应强度（特斯拉，即T）；d——霍尔元件厚度（米，即m）。令：(4.2)7/22/2021霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体（尤其是N型半导体）的霍尔常数RH要比金属的大得多，所以在实际应用

8、中，一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。元件的厚度d对灵敏度的影响也很大，元件越薄，灵敏度就越高。7/22/2021由上式可见，当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势极性不变。施加在霍尔元件上的磁感应强度为B的磁场是垂直于薄片的，