大學(xué)傳感器磁敏傳感器

5.6磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器：可將磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的傳感器。種類：霍爾傳感器、磁敏電阻傳感器、磁敏二極管、磁敏晶體管等。特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)非接觸檢驗(yàn)，壽命長(zhǎng)、可靠性高。0Hz）到高頻（數(shù)十GHz）其特性完全一樣。不僅能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)強(qiáng)度,也能測(cè)量靜止的磁場(chǎng)。能夠使器件小型化和集成化。

一、霍爾元件霍爾電壓形成的定性說(shuō)明(a)磁場(chǎng)為0時(shí)，電子在半導(dǎo)體中的流動(dòng);(b)磁場(chǎng)不為0，電子在勞倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn);(c)電荷積累達(dá)到平衡時(shí),電子在流動(dòng)二、磁敏電阻磁敏電阻是一種電阻隨磁場(chǎng)而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁電阻效應(yīng)。1、工作原理磁電阻效應(yīng)：將載流導(dǎo)體（金屬或半導(dǎo)體）置于外磁場(chǎng)中，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)（電勢(shì)或電場(chǎng)），同時(shí)電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化。這種現(xiàn)象成為磁敏電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱磁電阻效應(yīng)。

2.作用機(jī)理

外磁場(chǎng)改變了導(dǎo)體載流子遷移的路徑，致使與外界電場(chǎng)同方向的電流分量減小，等價(jià)于電阻增大磁敏元件載流子遷移率幾何形狀物理磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)電阻率相對(duì)變化電阻相對(duì)變化（1）物理磁阻效應(yīng)具有兩種載流子的材料通電后，電子和空穴電流密度分別為jn

和jp，總電流密度j無(wú)外磁場(chǎng)H時(shí)，j=jn+jp有外磁場(chǎng)H時(shí)，jn與jp背向偏轉(zhuǎn)j<jn+jp相當(dāng)于增大磁敏電阻材料當(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)霍爾效應(yīng)更為強(qiáng)烈。在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。一般使用N型InSb(銻化銦)和InSb―NiSb半導(dǎo)體材料做成磁阻器件。（2）幾何磁阻效應(yīng)無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，電流密度矢量j與電場(chǎng)一致有外磁場(chǎng)時(shí)，j與合成電場(chǎng)方向有一夾角在電極處，合成電場(chǎng)E與金屬電極面垂直在極板附近j出現(xiàn)偏角只在電極附近偏轉(zhuǎn)增大磁阻效應(yīng)途徑：縮短電流路徑l，增大電極長(zhǎng)度w，減薄磁阻材料d（a）用薄膜技術(shù)制作在基片上，典型厚度是20μm,（b）矩形磁阻元件，橫向?qū)挾葁比縱向長(zhǎng)度l大40倍,（c）把W>l的扁平器件串聯(lián)起來(lái)——柵格磁阻器件?？票戎Z圓盤中心和邊緣為兩電極不存在橫向霍爾電場(chǎng)和電勢(shì)磁敏電阻變化更加明顯柵格磁阻器件在L>W長(zhǎng)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），相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。零磁場(chǎng)電阻約100Ω,柵格金屬條在100根以上。柵格磁阻器件既增加了零磁場(chǎng)電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。LBILBIBI

磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大；因此，使用磁敏電阻時(shí)．必須首先了解如下圖所示的持性曲線。然后，確定溫度補(bǔ)償方案。磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無(wú)關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加磁阻元件的溫度特性不好，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。4、磁阻式傳感器應(yīng)用——磁阻效應(yīng)角度傳感器測(cè)量原理——輸出電壓與磁場(chǎng)角度成正比由于電阻沒(méi)有極性，僅與磁場(chǎng)強(qiáng)度的絕對(duì)值成正比，磁極每轉(zhuǎn)動(dòng)180度，某個(gè)位置上的磁敏電阻阻值變化一周期，相對(duì)180度布置的兩磁敏電阻a和d同步變化＋R與a，d相差90度布置的磁敏電阻b，c變化周期差180度，即b，c與a，d正好反相－R磁阻式傳感器應(yīng)用——磁阻效應(yīng)角度傳感器將相間90度布置的四個(gè)磁敏電阻接入電橋電路，傳感器每相對(duì)磁極轉(zhuǎn)動(dòng)180度，輸出電壓變化一個(gè)周期。UZZ900信號(hào)調(diào)理芯片KMZ41型傳感器：

內(nèi)含8個(gè)MR形成兩組電橋兩組磁敏電阻相對(duì)磁場(chǎng)布置相差45度，磁阻變化相位差90度兩組電橋的輸出電壓相位相差90度KMZ41型傳感器：可以實(shí)現(xiàn)辨向功能兩組電橋制作成相差45度分布，輸出信號(hào)相差90度可判別角度方向轉(zhuǎn)速傳感器傳感器與調(diào)理電路安裝工作原理輸出方波——頻率信號(hào)各向異性磁阻傳感器(AMR)原理：*AnisotropicMagnetoresistiveEffect——各向異性磁阻效應(yīng)各向異性磁阻傳感器是將鐵鎳合金薄膜沉積在硅基底上構(gòu)成的，沉積的時(shí)候薄膜以條帶的形式排布，形成一個(gè)平面的線陣以增加磁阻的感知磁場(chǎng)的面積。當(dāng)外部磁場(chǎng)加到這樣的鐵磁性薄膜上的時(shí)候，磁疇旋轉(zhuǎn)，改變空間取向，這樣使得薄膜條帶構(gòu)成的線陣的表觀電阻發(fā)生改變。具體的說(shuō)，電橋的相對(duì)的兩個(gè)臂上的電阻增大，而另外兩只相對(duì)的臂上的電阻減小，就反應(yīng)在電橋電壓輸出的改變上。芯片內(nèi)的惠斯通電橋各向異性磁阻傳感器HMC1002HoneyWell公司的HMC1002特性：*響應(yīng)時(shí)間短（可以測(cè)高頻交變磁場(chǎng)）*測(cè)量精度高（達(dá)10^(-8)T)*有兩個(gè)敏感軸，可確定平面內(nèi)大小方向芯片體積小，定位較準(zhǔn)確芯片管腳排布

HMC1052磁阻傳感器由兩個(gè)AMR傳感器(各向異性磁阻傳感器)整合在一起,可以把任何水平方向的磁場(chǎng)分解為X,Y兩個(gè)方向的矢量。三、磁敏二極管(SMD)工作原理在高阻半導(dǎo)體芯片（本征型I）兩端，分別制作P、N兩個(gè)電極P、N為重參雜區(qū)，I區(qū)長(zhǎng)度較長(zhǎng)I區(qū)一側(cè)光滑，一側(cè)打毛粗糙，粗糙表面易于使電子－空穴對(duì)復(fù)合而消失，成為r面（復(fù)合區(qū)）外加正向偏壓：P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)大量空穴從P區(qū)注入I區(qū)；大量電子從N區(qū)注入I區(qū)未加磁場(chǎng)，電子和空穴運(yùn)行方向不偏轉(zhuǎn)磁敏二極管加正向電壓：P+——N-當(dāng)磁場(chǎng)方向使電子、空穴向r面偏轉(zhuǎn)時(shí)，載流子對(duì)因復(fù)合而消失，使I區(qū)載流子數(shù)目大為減少，該管外部表現(xiàn)為電阻增大，電流減小，壓降增大，U>0

當(dāng)磁場(chǎng)方向使電子、空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，復(fù)合率變小，外部表則現(xiàn)為電阻減小，電流增大，壓降減小,U<0

磁敏二極管的伏安特性在給定磁場(chǎng)情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過(guò)它的電流的關(guān)系