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1、 磁传感器新型传感技术及应用新型传感技术及应用磁传感器磁传感器 本章基本内容包括： 本章基本内容包括电磁效应、洛伦兹力、霍尔效应、磁阻效应、量子力学电磁效应、霍尔传感器、硅谐振式传感器。引 言【 CONTENT 】 1. 概 述 2. 磁传感器的工作原理 3. 霍尔元件与霍尔传感器 4. 磁阻元件和传感器 5. 硅谐振式磁传感器简介 声表面波传感器声表面波传感器1.概 述【 概 述 】磁传感器的历史悠久，古代人就已开始利用指南针来判别方向，可以说指南针是最古老的磁传感器。但是，现在特别要求传感器输出容易处理的信号。因此，目前主要采用将磁量转换成电量的磁传感器，直接用于测量磁场强度，也可间接用来
2、测量某些物理量。线圈是将磁量变成电量的最简单的元件。在线圈中通以电流就会产生磁场，当线圈中得磁场一旦随时间变化，就会在线圈上感应出电动势，这就是电磁感应。利用该现象进行直接变换的元件就是线圈。磁传感器就是利用线圈的磁场变化率来进行被测量的检测的。电磁感应【 概 述 】将磁场加在半导体等固体上，固体的电性质就会发生变化，这种现象称为电磁效应。基于这种物性制成的固体磁传感器，可以精确地检测从静磁场到交变磁场的强度，并转换成电信号输出。固体磁传感器具有体积小、功耗低、便于集成化等许多优点，并通过材料选择与合理设计，能够获得很高的灵敏度和稳定度。制作固体磁传感器的材料有磁性体、半导体、超导体等。 声表
3、面波传感器声表面波传感器2.磁传感器的工作原理【磁传感器的工作原理】2.1电磁效应与洛伦兹力磁场的变化，将会在它交链的电路中产生电动势，可写成：式中，为磁通， =LI。该式直接表面了电与磁的感应效应，即电磁效应。稳定的磁场不产生电场；均匀变化的磁场产生稳定磁场；不均匀变化的磁场产生均匀变化的电场。首先分析真空中的电子运动，如无电场而只有磁场情况下，电子只受洛伦兹力的作用。由于洛伦兹力总是跟电子的运动方向和磁场相垂直，故不对电子做功，它只改变电子的运动方向，而不改变电子的速率。结果，洛伦兹力对运动的电子来说，起着向心力的作用。若无外加磁场时，电流沿着电场方向流动，即电子朝着与电场相反的方向移动。
4、ddBEEdtdt 或 【磁传感器的工作原理】在磁场中，运动的带电粒子要受到一个与磁场和运动方向相垂直的洛伦兹力的作用。设载流子电荷量为-e，电场强度为E，载流子瞬时速度为v，外加磁场强度为B，则这个载流子所受的力为：该式表明了电量与磁量的密切关系。载流子除受电场E的作用力外，在磁场中还受到洛伦兹力的作用，洛伦兹力与速度和磁场相垂直。在真空中电场和磁场同时存在而且相互垂直情况下电子所作的运动。设电子在原点处最初为静止状态。-X方向的电场使电子沿X方向加速运动，由于Z方向的磁场影响，导致电子逐渐向Y方向弯曲，图中所示1点处电阻速度达到最大，此后减速到2点，电子速度又变为0，反复进行这样地运动，使
5、电子移动的轨迹实际是一个接一个的半圆弧形。由于这是朝与电场平均成直角方向运动，故无能量损失，最终电子沿Y方向前进。()Fe EvB 再来研究固体中电子的运动。在固体中，由于杂质原子和晶格的振动，阻碍了电子的运动。这些阻碍物与电子相碰撞，会造成能量损失，经过一段碰撞缓和时间后，电子的速度下降到0，电子的运动轨迹就出现了在1,2,3点上速度为零，电子的平均运动方向不会再沿Y方向运动，而是沿与X轴成角的方向前进，这种现象成为霍尔效应， 角成为霍尔角。【磁传感器的工作原理】 2.1霍尔效应 利用霍尔效应的磁传感器，主要材料是-族化合物半导体。因为它们具有较高的电子迁移率，而金属材料的电子迁移率较小，几
6、乎不出现霍尔效应，也不能用于磁传感器。 族：B，Al，Ga，In； 族：N，P，As，Sb。在半导体中，把电场E分为与电流密度i平行的分量EX和与电流密度i垂直的分量EY，它们之间有下列关系：横向电场EY是在外加磁场的影响下产生的，称其为霍尔电场。它与电流密度和磁场强度B成正比，即：tanYXEEYHER iB【磁传感器的工作原理】比例系数RH称霍尔系数，近似为：N型半导体P型半导体式中，n，p分别为电子和空穴的密度；e是电子的电荷；是接近于1 的系数。用电导率的电流密度和电场之间的关系式：可以得到霍尔角的一般表达式：=-HRne=HRpei ExtanYHXER BE【磁传感器的工作原理】对
7、N型半导体而言，电导率可用=nen表示，从而可得到：以空穴代替电子有：为半导体的迁移率。可知，半导体的迁移率越大或外加磁场强度B越大，霍尔角就越大，极限值为90。InSb是迁移率最大的半导体材料，也是对磁场灵敏度最高的材料，但受温度影响较大，因此，在使用时应视温度变化范围采取温度补偿措施。近年来，已经开始使用禁带幅度大，电子迁移率大的GaAs材料，这种材料不易受温度影响，可在200左右的高温下使用。Si材料电子迁移率小，单纯使用它性能欠佳。但它能与配套的电子线路实现集成化，因而广泛用于制造把机械量变换成电量的磁传感器。tannB tanpB 【磁传感器的工作原理】2.3磁阻效应物质的电阻在外加
8、磁场作用下增大的现象，在半导体出现后，促进了对这种现象的进一步研究，这种现象为磁电阻效应。磁电阻效应有两层含义：一是强调电阻率随磁场强度的增加而增加，这是有关物体性质的变化现象；二是指电阻值随磁场强度的增加而增加，只是有关物体的电特性现象。对磁电阻效应产生的机理分析如下：（1）在半导体内存在外界电场EX，霍尔电场EY，在合成电场E的作用下，电子沿斜的方向加速，获得速度后，由于和晶格与杂质原子存在碰撞，所以作圆弧运动，运动轨迹从宏观上看是与外界电场EX平行，如a所示。虽然电子是沿外界电场EX的方向移动，但由于外加磁场作用，电子与晶格和杂质原子碰撞概率增加，故电阻率增加，这就是金属产生磁电阻效应的
9、原因。【磁传感器的工作原理】(2)半导体中载流子的能量并不完全相等，而是具有某种分布，随着各自能量的不同，每个载流子的碰撞和时间也有不同的值。若对载流子全体的碰撞缓和时间进行平均，那么，霍尔电场产生的静电力和由于运动产生的洛伦兹力将保持平衡。但是比全体平均碰撞缓和时间要长的载流子，所发生的碰撞过程要长，因此该部分载流子的平均速度要大，如图b所示。但洛伦兹力超过静电力时，将发生较大的偏转。另外，比全体平均碰撞时间要短的载流子所发生的碰撞过程要短，故这部分载流子的平均速度药效，如图c所示。当静电力超过洛伦兹力时，发生的偏转就小。b，c两种情况中的载流子都是沿着偏离外电场的方向移动，所以在外电场方向
10、的迁移率就变小，导致电阻率增加，这就是半导体产生磁电阻率效应的原因。（3）产生电阻率效应的第三个原因是存在电子与空穴两种载流子，在外加磁场作用下，由空穴和电子复合形成的电流，分别朝相反的方向作倾斜运动，在这种电流的合成电流方向上迁移率减小，导致电阻增加。【磁传感器的工作原理】设电子与空穴各自的碰撞缓和时间是常数，各自的密度为n，p，迁移率为n，p，且n/p1, nn/pp1, n/pnB。在此条件下，电阻率的增加可表达为：或者写成：式中，和分别为有磁场和无磁场时的电阻率。20np00-p=nB2np0p=1+nB【磁传感器的工作原理】2.4量子力学电磁效应（超导体电磁效应）从量子力学可观测到，
11、某些金属，如铅，铌等，在超低温状态下其电阻值会突变为零，这种性质成为超导。在超导体中，电子作规则运动。若将绝缘薄膜夹在两超导体之间，由于隧道效应的影响，超导电流将穿过绝缘薄膜，这种现象为约瑟夫逊效应。隧道效应：电子等量子的波粒二象性，穿越势垒的运动。原理：一个很小的磁场很小的电流约瑟夫效应另一反馈回路输出。基于超导体的约瑟夫逊效应，利用超导量子干涉器件，可以对各种物理量做超精密测量。超精密测量的精度可达 ，而一般传感器的测量精度，若达到0.1%0.04%，就已经很满意了。-610声表面波传感器声表面波传感器3.霍尔元件与霍尔传感器【霍尔元件与霍尔传感器】3.1霍尔元件实用化的磁传感器主要用霍尔
12、元件和磁阻效应元件。长方形半导体元件中电流通常沿正面平行流过，若无外加磁场，电子均匀分布，如图a所示；在加上与正面垂直的磁场的瞬间，由于受到洛伦兹力的作用，电子向左侧偏移，如图b所示；元件左侧电子过剩，右侧电子不足，就会产生一个横向的磁场，如图c所示，这就是霍尔电场。霍尔电场产生一定大小的静电力与洛伦兹力平衡，使得电子仍平行地沿正面向前运动，但在半导体两侧都存在一个电压。3.2霍尔元件的结构与公式该长方形霍尔元件，为四端子结构。在长方形元件的两个端面设置电流电极，而在两边的中央部设置一对霍尔电极。【霍尔元件与霍尔传感器】设与元件面相垂直的磁通密度为B，控制电流为I，元件的宽度与厚度分别为w和d
13、。那么，在与电流垂直的方向设置的霍尔电极上出现的霍尔电压UH，可以通过把内部产生的霍尔电场强度沿宽度w积分求得：上式仅适用于无限长的霍尔板，实际上霍尔板的长度是有限的，长宽比常设置在l/w=4或l/w=1/4。所以不同形状的霍尔板，将导致电流电极和霍尔电极对霍尔电压带来影响，常使用元件的形状效应系数fH来修正这种影响。考虑到这些，实际的霍尔电压UH可用下式求得：形状效应系数fH值，随元件的形状而异。0wHHYHRUER iBwIBdHHHRUIBfd【霍尔元件与霍尔传感器】由实例可知，十字形的元件，fH受磁场的形象较小，为了得到较高的fH值，实际应用的霍尔元件，大都采用十字形：霍尔电压正比于电
14、流和磁通密度的乘积。设KH为比例系数，则有下列关系：KH为乘积灵敏度，常用来表示霍尔元件的灵敏度。提高灵敏度（增加UH）的方法：（1）实用化得霍尔元件，其灵敏度取决于RH/d，RH大的材料最好是高纯度的半导体，但是n值变小，元件的内电阻就会变大，限制了元件的电流。（2）为了检测一定强度的磁场，通常采用通过增加电流来获得较大的输出电压。（3）元件的厚度越薄越好，可采用机械研磨，化学腐蚀，外延生长，离子注入等多种加工方法来实现。HHHHHUK IBRKfd【霍尔元件与霍尔传感器】3.3常用的霍尔元件（1）InAs霍尔元件。 InAs材料的迁移率较高，其温度特性也较好。 InAs霍尔元件具有内阻小，
15、信噪比高，零漂移小，控制电流大和输出功率大等优点，适用于强磁场，超导磁场，脉冲磁场的测量。（2）InAsP材料的尽带宽度比InAs材料的大，所以由InAsP制作的霍尔元件，其霍尔电压的温度系数，线性偏差均比InAs霍尔元件的小。（3）InSb材料的电子迁移率最大，用它制造的霍尔元件有最高的灵敏度，故常被用作磁敏感元件，对磁泡进行测量。（4）GaAs材料具有极好的温度稳定性，利用外延生长技术制成的GaAs霍尔元件，具有工作温度范围宽，线性度好，灵敏度高等优点，主要应用于高、低温下磁场的精密测量，以及某些物理量的间接测量。借助较成熟的微细加工技术，能制作微型霍尔元件，用于测定磁泡的霍尔元件。缺点：
16、（1）输入功率与磁灵敏度并非完全线性。（2）有效的敏感区很小，约在5m 5m以内。欲测定磁泡产生的磁场分布，可用微型霍尔元件阵列来实现。 离子注入技术是大量生产高性能微型霍尔元件的先进技术之一。在具有绝缘性GaAs半导体表面上注入Se离子，形成亚微米厚度的活性层，就能得到具有极高磁灵敏度的微型霍尔元件。由于使用了GaAs材料，温度特性也有明显地改善，UH的温度系数达到0.01%/左右。【霍尔元件与霍尔传感器】3.4霍尔传感器应用举例。霍尔元件是霍尔传感器的核心。霍尔电压UH磁通密度B和控制（或输入）电流I之间的相互关系式霍尔传感器的基本工作原理。3.4.1磁场测量GaAs磁场传感器测量较弱磁场。梯形片为磁场集中器，由高导磁率的非晶态合金制成，用以增强被测的较弱磁场。在一对梯形片状中间的缝隙内装有GaAs霍尔元件来测量被磁场集中器增强后的弱磁场。3.4.2三维磁向量霍尔传感器用于测量磁场B垂直于元件表面的磁场分量BZ，它的控制电流的方向平行于元件表面，称这种条件下的元件为横向霍尔元件。为了测量平行于元件表面的磁场分量BX或BY，便制成了另一种霍尔元件，它的控制电流方向从表面的电流电极垂直
