深度解讀磁敏傳感器技術(shù)原理

磁敏傳感器是將磁場信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號(hào)的裝置。它是各種測(cè)磁儀器的核心。為了檢測(cè)并利用磁碭，人們研制了各種測(cè)磁儀器。到目前為止，已形成了十多種常用的測(cè)磁方法，研制和生產(chǎn)出了幾十個(gè)大類上百種測(cè)磁儀器。

一般的測(cè)磁儀器都是由磁敏元件、轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理電路和讀出電路組成。儀器的基本性能(例如靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、精確度)，主要由它的傳感器來決定。信號(hào)處理電路可以提供放大、轉(zhuǎn)換(例如F/ V、A/D等轉(zhuǎn)換)、補(bǔ)償、校正等功能。

隨著磁性材料的發(fā)展，人們利用各種磁性材料來作信息載體，例如計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)、音像信息的記錄各種物體運(yùn)動(dòng)信息，包括位置、位移、速度、轉(zhuǎn)速等等，都可以借助磁性體來作載體。因而需要大量的、各種各樣的磁的讀出、寫入和傳感裝置。從而促使磁敏傳感器逐漸地和測(cè)磁儀器分離，形成了獨(dú)立的磁敏傳感器產(chǎn)品。磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，可以說“任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)、一輛汽車、一家工廠離開磁敏傳感器就不能夠正常工作”。同時(shí)，磁敏傳感器已深入到人們的日常生活，許多家用電器都大量地使用著磁敏傳感器。

磁敏傳感器的應(yīng)用日益擴(kuò)大，地位越來越重要，按其結(jié)構(gòu)主要分為體型和結(jié)型兩大類。前者的代表有霍爾傳感器，后者的代表有磁敏二極管、磁敏晶體管等。他們都是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的載流子隨磁場改變運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的一種磁傳感器。另外還有利用電磁感應(yīng)原理制成的磁電式傳感器。

霍爾式傳感器

霍爾效應(yīng)

置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向和磁場方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，載流導(dǎo)體（多為半導(dǎo)體）稱霍爾元件?；魻栃?yīng)是導(dǎo)體中的載流子在磁場中受洛侖磁力作用發(fā)生橫向漂移的結(jié)果。

如圖在與磁場垂直的半導(dǎo)體薄片上通電流I，假設(shè)載流子為電子（N型半導(dǎo)體材料），它沿與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)（如虛線箭頭方向），并使改側(cè)形成電子積累。而另一側(cè)形成正電荷積累，元件的橫向形成電場。該電場阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受到的電場力fE與洛侖茲力fL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在兩端橫面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH。

設(shè)霍爾片的長度為L，寬度為b，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力

又因?yàn)?/span>

當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電勢(shì)并不改變方向。通常應(yīng)用時(shí)，霍爾片兩端加的電壓為E，如果將霍爾電勢(shì)中的電流I改寫成E，可使計(jì)算方便，根據(jù)

由上式可知適當(dāng)?shù)剡x擇材料遷移率(μ)及霍爾片的寬長比(b/L)，可以改變霍爾電勢(shì)UH值。

霍爾元件的結(jié)構(gòu)

器件電流(控制電流或輸入電流)：流入到器件內(nèi)的電流。

電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端?；魻栞敵龆说亩俗?/span>C、D相應(yīng)地稱為霍爾端或霍爾電極、輸出端。若霍爾端子間連接負(fù)載,稱為霍爾負(fù)載電阻或霍爾負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍爾端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍爾側(cè)內(nèi)部電阻。

霍爾元件的特性

UH－I特性

當(dāng)磁場(B)恒定時(shí)，在一定溫度下，測(cè)定控制電流I與霍爾電勢(shì)UH，可得到良好的線性關(guān)系。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，用KI表示，

由此可得，靈敏度KH大的元件，其控制電流靈敏度KI一般也大。但是靈敏度大的元件，UH不一定大，因?yàn)?/span>UH還與I有關(guān)。

UH－B特性

當(dāng)控制電流I保持不變時(shí)，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈現(xiàn)線性關(guān)系，而有非線性偏離。

誤差分析及補(bǔ)償方法

1、元件幾何尺寸及電極焊點(diǎn)大小對(duì)性能的影響

①幾何尺寸對(duì)性能的影響

在霍爾效應(yīng)原理分析時(shí)，我們是將霍爾片的長度L看作無窮大來考慮的。實(shí)際上，霍爾片的長度是有限的，如果L太小，當(dāng)小到某個(gè)極限值時(shí)，霍爾電場會(huì)被控制電流極短路，因此在霍爾電勢(shì)的表達(dá)式中增加一項(xiàng)與幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)L/b>2時(shí)，形狀系數(shù)fH(L/b)接近1。為了提高元件的靈敏度，可適當(dāng)增大L/b值，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取L/b=2就足夠了。

②電極焊點(diǎn)大小對(duì)性能的影響

霍爾電極的大小對(duì)霍爾電勢(shì)的輸出也存在一定的影響。按理想元件的要求，控制電流的電極應(yīng)與霍爾元件是良好的面接觸，而霍爾電極與霍爾元件為點(diǎn)接觸。實(shí)際上，霍爾電極有一定的寬度l，它對(duì)元件的靈敏度和線性度有較大的影響。研究表明，當(dāng)l/L<0.1時(shí)，電極寬度的影響可忽略不計(jì)。

2、不等位電勢(shì)U0及其補(bǔ)償

制作霍爾元件時(shí)，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如圖，當(dāng)控制電流I流過元件時(shí)，即使磁感應(yīng)強(qiáng)度等于零，在霍爾電勢(shì)極上仍有電勢(shì)存在，該電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)U0。不等位電勢(shì)是產(chǎn)生零位誤差的主要原因。其等效電路如圖所示，若兩個(gè)霍爾電極在同一等位面上，則r1=r2=r3=r4，電橋平衡，U0=0。當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)（如圖2.1.3），因r3增大、r4減小，電橋平衡被破壞，使U0≠0。有各種方法可以減小不等位電勢(shì)以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/span>

半導(dǎo)體磁阻傳感器

磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)

磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。

若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。

在磁場中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化，它可表示為 

B——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；

ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率；

ρ0 ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；

μ——載流子的遷移率。

當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。長方形磁阻器件只有在L(長度)<W(寬度)的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來，就會(huì)零磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。

圖 (a)是沒有柵格的情況，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小。在L>W長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢(shì)，這種柵格磁阻器件如圖2.2.1(b)所示，就相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式。

磁阻元件

長方形磁敏電阻元件；

物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)同時(shí)存在。

弱場時(shí)的磁阻比

柵格型磁敏電阻→高靈敏電阻

g’為子元件的形狀系數(shù)，g’增強(qiáng)很多，則msn增大，RBn增大。

科賓諾元件

結(jié)構(gòu)形式

盤形元件；

中心與外圓周邊裝有電流電極。

原理：

電流在兩個(gè)電極間流動(dòng)；

載流子的運(yùn)動(dòng)路徑因磁場發(fā)生彎曲；

電阻增大

磁敏電阻的特性

靈敏度特性

磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場——電阻特性的斜率。常用K表示，單位為mV/mA.kG即Ω.Kg。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。

磁場——電阻特性

磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加如圖(a)。在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化如圖 (b)。

強(qiáng)磁磁阻元件電阻——磁場特性曲線

從圖中可以看出它與磁阻元件曲線相反，即隨著磁場的增加，電阻值減少。并且在磁通密度達(dá)數(shù)十到數(shù)百高斯即飽和。一般電阻變化為百分之幾。

電阻——溫度特性

從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。圖中的電阻值在35℃的變化范圍內(nèi)減小了1/2。因此，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。

強(qiáng)磁磁阻元件的電阻——溫度特性曲線：

圖中分別給出了采用恒流、恒壓供電方式時(shí)的溫度特性。采用恒流供電時(shí)，可以獲得–500ppm/℃的良好溫度特性，而采用恒壓供電時(shí)卻高達(dá)3500ppm/℃。但是由于強(qiáng)磁磁阻元件為開關(guān)方式工作，因此常用恒壓方式。

結(jié)型磁敏傳感器

磁敏二極管

結(jié)構(gòu)

結(jié)型磁敏傳感器是一種PIN型二極管，可稱為結(jié)型二端器件(也叫索尼二極管SMD)兩端為高摻雜的P+和n+區(qū)；較長的本征區(qū)I稱為長基區(qū)二極管，I的一面磨成光滑的；另一面用擴(kuò)散雜質(zhì)或噴砂法制成高復(fù)合區(qū)（稱為r區(qū)），使電子-空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。施加正偏壓時(shí)p+-I結(jié)向本征區(qū)I注入空穴，n+-I結(jié)向本征區(qū)I注入電子，又稱為雙注入長二極管。

工作原理

圖(a)無磁場，施加正偏壓有大量的空穴從p+區(qū)通過I進(jìn)入n+區(qū)，大量的電子從n+區(qū)通過I進(jìn)入p+區(qū)，形成電流。I區(qū)只有少量的電子和空穴被復(fù)合掉。

圖(b)當(dāng)受磁場B+（正向）時(shí)，電子和空穴受到FL向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，在r區(qū)復(fù)合使I區(qū)電流減小、電阻增大，I區(qū)壓降增大、n+-I結(jié)和p+-I結(jié)上壓降減小，使注入載流子再次減小，直至正向電流減小到某一穩(wěn)定值為止。

圖(c)當(dāng)受磁場B-（反向）時(shí)，n+-I和p+-I結(jié)上壓降增大，使注入載流子增加、電流進(jìn)一步增大，直至電流達(dá)到飽和止。

正向電壓下，加正向磁場和反向磁場時(shí)，PIN管的正向電流發(fā)生了很大的變化，且磁場的大小不同，電流變化也不同。

磁敏二極管的主要特性

1、伏安特性--正向偏壓與電流的關(guān)系

Ge磁敏二極管的伏安特性曲線，輸出電壓一定，磁場正向時(shí)隨磁場增大電流減小；磁場負(fù)向時(shí)隨磁場負(fù)方向增加電流增加；同一磁場下電壓越大，輸出電流變化量也越大。

圖(b、c)為硅磁敏二極管的伏安特性。圖(c)有負(fù)阻特性，即電流急劇增加，偏壓突然跌落；因高阻I區(qū)熱平衡載流子較少，注入I區(qū)的載流子在未填滿復(fù)合中心前不會(huì)產(chǎn)生較大的電流，只有填滿后電流才開始急增，同時(shí)I區(qū)壓降減小，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。

2、磁電特性

在給定條件下磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加B的關(guān)系。常有單只使用和互補(bǔ)使用兩種方式。單只使用時(shí)正向磁靈敏度大于反向?；パa(bǔ)使用時(shí)正、反向磁靈敏度曲線對(duì)稱，且在弱磁場下有較好的線性。

單個(gè)使用時(shí)

互補(bǔ)使用時(shí)

3、溫度特性

在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下輸出電壓變化量ΔU隨T變化。

4、四種常用補(bǔ)償電路

互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路圖(a)；差分式溫度補(bǔ)償電路圖 (b)；全橋溫度補(bǔ)償電路圖(c)；熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路圖 (d)。

磁敏三極管

結(jié)構(gòu)

****極e、基極b、集電極c；在射極和長基區(qū)間的一個(gè)側(cè)面制成一高復(fù)合區(qū)r。

工作原理

分析磁場強(qiáng)度B變化時(shí)，基極電流Ib、集電極電流Ic和電流放大倍數(shù)β的變化。

圖(a)：B=0時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子的有效擴(kuò)散長度，****區(qū)注入的載流子少數(shù)輸入c、大部分通過e-p-b形成Ib，Ib>Ic，電流放大倍數(shù)β<1。

圖(b)：當(dāng)受到正向磁場(B+)作用時(shí)載流子受FL作用向****區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使IC明顯下降，同時(shí)基區(qū)復(fù)合增大，Ib增加量較小，電流放大倍數(shù)β減小。   

圖(c)：反向磁場(B-)作用時(shí)，載流子受FL作用向集區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使IC增大，基區(qū)復(fù)合減小，β增加，IB幾乎不變。

磁敏三極管的主要特性

1、伏安特性

2、磁電特性

較弱磁場時(shí)，Ic與B是線形關(guān)系

3、溫度特性

3ACM 3BCM 磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8%∕℃

3CCM磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6%∕℃

4、頻率特性

磁場交變

3BCM 響應(yīng)t=2us   截止頻率500KHz

3CCM 響應(yīng)t=4us   截止頻率2.5MHz

新型磁傳感器

高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器

按編碼方式的有絕對(duì)式和增量式兩種。

絕對(duì)式：將被測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位置直接轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字編碼輸出。中途斷電，重新上電后也能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。

增量式：測(cè)量輸出的是當(dāng)前狀態(tài)與前一狀態(tài)的差值。通常以脈沖數(shù)字形式輸出，然后用計(jì)數(shù)器計(jì)取脈沖數(shù)。需要規(guī)定脈沖當(dāng)量（一個(gè)脈沖所代表的被測(cè)物理量的值）和零位標(biāo)志（測(cè)量的起始點(diǎn)標(biāo)志）。中途斷電無法得知運(yùn)動(dòng)部件的絕對(duì)位置。

磁阻式磁性編碼器具有結(jié)構(gòu)緊湊、高速下仍工作穩(wěn)定、抗污染能力強(qiáng)、抗振抗爆能力強(qiáng)、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。

磁性旋轉(zhuǎn)編碼器包含磁鼓和磁阻傳感器頭。

磁鼓：在鋁合金錠子上敷上一層磁性介質(zhì)(γ-Fe2O3)，并被磁化成具有偶數(shù)個(gè)長度為λ磁極。

磁阻頭：在玻璃基片上鍍上一層Ni81Fe19合金薄膜，并列有10個(gè)檢測(cè)增量信號(hào)的磁阻元件，4個(gè)用于零道信號(hào)檢測(cè)的磁阻元件。

磁鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場周期性地變化，磁阻也周期性地變化，且每個(gè)磁場周期對(duì)應(yīng)兩個(gè)磁阻變化周期，具有倍頻特性。

渦流傳感器

在一個(gè)磁棒上繞一組線圈，工作時(shí)加上震蕩頻率為60kHz的電信號(hào)，其磁棒具有增強(qiáng)電磁感應(yīng)的作用。當(dāng)其磁棒和繞組平行接近被測(cè)導(dǎo)體時(shí)，震蕩線圈產(chǎn)生的交變磁場作用于導(dǎo)體，被測(cè)導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生與激勵(lì)磁場相交鏈的渦流，此渦流又產(chǎn)生一交變磁場反作用于線圈，以阻礙激勵(lì)磁場的變化；同時(shí)被測(cè)導(dǎo)體表面流動(dòng)的電渦流產(chǎn)生熱量消耗，使激勵(lì)線圈的電感量L、阻抗Z、品質(zhì)因數(shù)Q發(fā)生變化；因此可以利用線圈這些參數(shù)的變化，把被測(cè)導(dǎo)體的參數(shù)變換成電學(xué)量來測(cè)量。在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)電容組成諧振電路，沒有金屬導(dǎo)體時(shí)的諧振頻率為f0，檢測(cè)到導(dǎo)體時(shí)諧振頻率偏離，若被測(cè)導(dǎo)體為非磁性材料，則諧振峰右移，若為軟磁材料，則諧振峰左移，這樣可以用渦流傳感器探測(cè)隱蔽在地下、墻壁內(nèi)等金屬管道、電纜或?qū)Ь€。由于回路的等效阻抗Z的變化，使輸出電壓變化，可以用回路輸出電壓的大小來表示探測(cè)儀與被測(cè)物體的距離。

另外，以磁性材料為主開發(fā)出很多磁性傳感器，已經(jīng)實(shí)用化的有鐵磁金屬薄膜磁敏器件、Fe-Co-V合金絲的威氏器件、熱敏鐵氧體的熱簧開關(guān)、利用法拉第原理設(shè)計(jì)的光纖電流傳感器和隔離器、磁性液體的多維度傾斜及震動(dòng)傳感器等等。利用Fe/Cr多層膜的巨磁電阻效應(yīng)、磁性金屬/非磁性絕緣體/磁性金屬(FM/I/FM)型隧道結(jié)Fe/Al2O3/Fe的隧道巨磁電阻效應(yīng)(TMR)、類鈣態(tài)礦結(jié)構(gòu)Mn系氧化物Ln1-xMxMnO3氧化物的特大磁電阻效應(yīng)(CMR)制備成高精度磁敏電阻，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高精密控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。