第9章 半導(dǎo)體磁敏傳感器ppt課件

1、第九章半導(dǎo)體磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器在各種傳感器中，磁敏傳感器是使用得較早的一種，指南針便是最古老的磁敏傳感器。電流通過(guò)線圈時(shí)，在線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，若線圈中的磁通量發(fā)生變化，則線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是磁電感應(yīng)現(xiàn)象。因此線圈是將磁量變成電量的最簡(jiǎn)單的磁電轉(zhuǎn)換元件。如果將磁場(chǎng)加到半導(dǎo)體等材料上，材料的電性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是磁電效應(yīng)。凡是利用磁電效應(yīng)構(gòu)成的傳感器稱為磁電式傳感器或磁敏傳感器。半導(dǎo)體磁敏傳感器是半導(dǎo)體傳感器的一種，如霍爾元件、磁阻元件、磁抗元件、磁敏二極管和磁敏三極管。qvBFlBvqFlelFF bdvnqI nqdIBUHnqRH1dRSHHIBSdIBRUHHH0)(iPR

2、R0iPRR)(1 )(1 0000ttRRttURUoLHLL0)(0ttddUL）（10oLRR)1 ()(0tRRi，(3) 當(dāng)霍爾元件向左位移當(dāng)霍爾元件向左位移x，UH1, UH2，UH= UH1-UH2= UH一、磁阻效應(yīng)與磁阻元件磁阻器件類似于霍爾器件，當(dāng)霍爾元件受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)引起的霍爾電勢(shì)，而且還會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)(或稱為高斯效應(yīng))。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)區(qū)別在于，霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向產(chǎn)生的阻值變化。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率愈大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件

3、的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。磁阻元件是利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)而制作的元件，這種元件的電阻值能夠隨著磁場(chǎng)的增加而增大。它的優(yōu)點(diǎn)是像電阻元件一樣，只有兩個(gè)端子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。缺點(diǎn)是磁阻元件的電特性比霍爾元件的復(fù)雜，不是單一的線性輸出。半導(dǎo)體磁阻元件外形呈扁平狀，非常薄，它是在0.10.5mm的絕緣基片上蒸鍍上約2025m的一層半導(dǎo)體材料制成的，也有在半導(dǎo)體薄片上腐蝕成型的。為了增加有效電阻，將其制成電阻應(yīng)變片那樣的彎曲柵格，端子用導(dǎo)線引出后，再用絕緣材料覆蓋密封。常見的磁阻元件有l(wèi)nSb(柵格型)、lnSbNiSb(共晶型)和薄膜型等。二、磁阻元件的主要特性一般地如果金屬柵條之間的距離不是非

4、常接近，那么在弱磁場(chǎng)B作用下，即tg1時(shí)，元件的電阻變化呈線性特性，用下式表示BSGRMBGRRLB00)(二、磁阻元件的主要特性 (1)電阻變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。因材料不同，磁阻相對(duì)變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化關(guān)系如圖9-14所示。L和D為不同摻雜的InSb-NiSb。由圖可知磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.3T時(shí)，電阻變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度成平方關(guān)系；當(dāng)大于0.3T時(shí)則成線性關(guān)系。(2)相對(duì)靈敏度Sr。磁敏電阻的相對(duì)靈敏度是磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T(或1T)時(shí)電阻值RB與零磁場(chǎng)電阻值R0之比，即Sr= RB / R0 。(3)溫度特性。磁敏電阻材料是一種受溫度影響極大的材料，溫度系數(shù)和磁場(chǎng)的關(guān)系如圖9-15所示。

5、(4)標(biāo)稱阻值及額定功率。磁敏電阻大部分和半導(dǎo)體電路配合使用，電阻為50500的元件已滿足需要。磁敏電阻的額定功率在環(huán)境溫度低于80OC時(shí)為幾毫瓦。三、磁阻元件的應(yīng)用從應(yīng)用來(lái)看，磁阻元件具有兩種功能，一是具有本身電阻可改變的功能，另一是和電流結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算的功能。同時(shí)磁阻元件的電阻變化有平方特性和線性特性，流過(guò)磁阻元件的電流可以是交流的，也可以是直流的，因此可進(jìn)行不同的組合，應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。下面介紹幾個(gè)在測(cè)試技術(shù)中常用的例子。三、磁阻元件的應(yīng)用 (1)磁通計(jì)。用比例型磁阻元件制作的磁通計(jì)能夠直接讀出磁通密度，一般用于磁通密度大于0.3T以上的測(cè)量。磁阻效應(yīng)磁通計(jì)特別適宜于測(cè)量密度較高的

6、脈沖磁場(chǎng)，還可用于測(cè)量超導(dǎo)磁體。高靈敏度磁通計(jì)是利用兩個(gè)平方特性的磁阻元件在弱磁場(chǎng)作用下具有很高靈敏度這一原理制成的一種磁通計(jì)。(2)位移計(jì)。圖9-16所示是一個(gè)利用差動(dòng)式磁阻元件的電壓分壓比隨永久磁鐵的位置而變化的性質(zhì)制作的位移傳感器。如果將永久磁鐵和磁阻元件配置成圓形，則不僅可測(cè)出直線位移，還可模擬檢測(cè)出轉(zhuǎn)角。 三、磁阻元件的應(yīng)用(3)無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)開關(guān)。當(dāng)磁阻元件接近永久磁鐵時(shí)會(huì)使元件阻值增大，再根據(jù)需要將信號(hào)放大或直接驅(qū)動(dòng)晶體管，就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)功能或計(jì)數(shù)功能。電路如圖9-17所示。 磁敏二極管和磁敏三極管是由鍺或硅半導(dǎo)體材料制成的，其中二極管具有長(zhǎng)基區(qū)的P+一i一N+型的二極管結(jié)構(gòu)，磁

7、敏三極管則是具有雙極型晶體管結(jié)構(gòu)的磁電轉(zhuǎn)換元件。(一)結(jié)構(gòu)原理磁敏二極管是利用電子和空穴雙注入效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)原理制成的元件。磁敏二極管的兩端是高摻雜的半導(dǎo)體P+和N+，中間是一個(gè)較長(zhǎng)的本征半導(dǎo)體i，它不像普通二極管的P型和N型半導(dǎo)體直接接觸，在接觸面附近形成PN結(jié)。磁敏二極管的P+型和N+型半導(dǎo)體不直接接觸。因此它又叫P+一i一N+型長(zhǎng)二極管，其結(jié)構(gòu)符號(hào)和工作原理如圖9-18所示。(一)結(jié)構(gòu)原理這種二極管的特點(diǎn)是在長(zhǎng)基區(qū)(i區(qū))的一側(cè)設(shè)置了載流子高復(fù)合區(qū)r，r區(qū)對(duì)面則是復(fù)合速率很低的光滑表面。當(dāng)元件施加正向電壓時(shí)，在無(wú)磁場(chǎng)情況下，P+區(qū)的空穴和N+區(qū)的電子分別流入N+區(qū)和P+區(qū)形成電流，僅有少

8、量電子和空穴在i區(qū)復(fù)合掉。當(dāng)加上正向磁場(chǎng)B+時(shí)，由于洛侖茲力的作用使電子和空穴偏向r區(qū)，并在r區(qū)很快復(fù)合掉，這時(shí)i區(qū)的載流子密度減小，使i區(qū)的電阻增加，電流減小，i區(qū)電壓降增大，而P+i結(jié)和N+i結(jié)上的電壓降減小，促使注入i區(qū)的載流子數(shù)量下降，使i區(qū)電流進(jìn)一步減小，直到某一穩(wěn)定狀態(tài)為止。(一)結(jié)構(gòu)原理在反向磁場(chǎng)B+作用下，電子和空穴向r區(qū)的對(duì)面偏轉(zhuǎn)，復(fù)合數(shù)量減小，于是i區(qū)的載流子密度增加，電阻減小，電流增加，i區(qū)的電壓降減小，結(jié)果P+i結(jié)和N+i結(jié)上電壓降增加，促使載流子向i區(qū)注入，直到電阻值減小到某一穩(wěn)定狀態(tài)為止。因此磁敏二極管的工作原理就是這種電子和空穴雙注入效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)的結(jié)合。由于存在

9、正反饋?zhàn)饔?，所以這種元件具有很高的靈敏度。 磁敏二極管只有在正向偏壓下，流過(guò)二極管的電流隨磁場(chǎng)的變化而改變，才具磁敏現(xiàn)象，在反向偏壓下因?yàn)槁╇娏骱苄?，所以不出現(xiàn)磁敏現(xiàn)象。(二)磁敏二極管的主要特性 (1)伏安特性。磁敏二極管所加正向偏壓與二極管流過(guò)電流的關(guān)系稱為伏安特性，不同磁場(chǎng)作用下，其伏安特性不同。(二)磁敏二極管的主要特性 (2)磁電特性。磁敏二極管輸出電壓的變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系稱為磁電特性。(二)磁敏二極管的主要特性 (3)溫度特性。磁敏二極管隨著溫度的變化輸出電壓發(fā)生變化，靈敏度也隨之變化，如圖9-21所示。(二)磁敏二極管的主要特性(4)頻率特性。磁敏二極管相對(duì)于磁場(chǎng)和脈沖電源的頻

10、率特性取決于載流子在本征區(qū)域內(nèi)的渡越時(shí)間，因而頻率特性與元件的尺寸大小有關(guān)。鍺磁敏二極管在50kHz時(shí)的靈敏度將下降3dB。硅磁敏二極管的尺寸小，載流子復(fù)合時(shí)間短，因此頻率特性比鍺管好，上限頻率可達(dá)100kHz。(三)磁敏二極管的應(yīng)用磁敏二極管是一個(gè)二端子元件，與磁阻元件類似，但不是純電阻性的，電阻值和靈敏度隨外加電壓變化，不符合歐姆定律。采用交流電壓工作時(shí)要加偏置磁場(chǎng)，以避免在負(fù)電壓區(qū)工作，它能判明磁場(chǎng)的正、反向，對(duì)應(yīng)正、反向磁場(chǎng)輸出極性要改變，在弱磁場(chǎng)下與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比；靈敏度高，輸出阻抗大，不能直接進(jìn)行功率控制。磁敏二極管的主要缺點(diǎn)是溫度特性、頻率特性、電壓對(duì)磁場(chǎng)的線性、漂移等不如霍爾元

11、件的好，但使用尚不成嚴(yán)重問題。(三)磁敏二極管的應(yīng)用(1)磁場(chǎng)測(cè)量。用磁敏二極管制成磁通計(jì)，可以測(cè)磁場(chǎng)測(cè)量。用磁敏二極管制成磁通計(jì)，可以測(cè)量小于量小于10-610-7T的弱磁場(chǎng)，例如測(cè)量變壓器的弱磁場(chǎng)，例如測(cè)量變壓器漏磁分布、陰極射線管偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分布等等。磁漏磁分布、陰極射線管偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分布等等。磁敏二極管的出現(xiàn)使磁力探傷儀測(cè)量探頭進(jìn)入實(shí)敏二極管的出現(xiàn)使磁力探傷儀測(cè)量探頭進(jìn)入實(shí)用階段，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)磁材料探傷自動(dòng)化。用磁敏用階段，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)磁材料探傷自動(dòng)化。用磁敏二極管還可制成磁電指向儀、磁力探礦儀和地二極管還可制成磁電指向儀、磁力探礦儀和地磁測(cè)量?jī)x。磁測(cè)量?jī)x。 (2)電流檢測(cè)。磁敏二極管可以用于鉗形電流

12、計(jì)電流檢測(cè)。磁敏二極管可以用于鉗形電流計(jì)來(lái)測(cè)量大電流，還可用于電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置，來(lái)測(cè)量大電流，還可用于電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)裝置，當(dāng)電流超過(guò)額定值時(shí)，切斷電源，防止線包燒當(dāng)電流超過(guò)額定值時(shí)，切斷電源，防止線包燒毀。毀。(3)位移檢測(cè)。通過(guò)磁鐵和磁敏二極管的相對(duì)距離變化，位移檢測(cè)。通過(guò)磁鐵和磁敏二極管的相對(duì)距離變化，使得加在磁敏二極管上的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化從而測(cè)量使得加在磁敏二極管上的磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化從而測(cè)量位移。因此距離、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)以及能轉(zhuǎn)換成上述量的位移。因此距離、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)以及能轉(zhuǎn)換成上述量的物理量均可用同樣的方法無(wú)接觸地檢測(cè)。用磁敏二極物理量均可用同樣的方法無(wú)接觸地檢測(cè)。用磁敏二極管比用線圈可使

13、整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單、方便。管比用線圈可使整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單、方便。(4)無(wú)觸點(diǎn)電位器。圖無(wú)觸點(diǎn)電位器。圖9-23為無(wú)觸點(diǎn)電位器的兩種使用形為無(wú)觸點(diǎn)電位器的兩種使用形式。圖中，式。圖中，(a)線路加適當(dāng)?shù)闹绷髌煤罂色@得較高的線路加適當(dāng)?shù)闹绷髌煤罂色@得較高的信號(hào)增益，信號(hào)增益，(b)線路采用單級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管作為可變電位器。線路采用單級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管作為可變電位器。(三)磁敏二極管的應(yīng)用(5)無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。磁敏二極管與施密特觸發(fā)無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。磁敏二極管與施密特觸發(fā)器組成開關(guān)電路，作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，可用器組成開關(guān)電路，作無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，可用作機(jī)床的起動(dòng)開關(guān)、防盜裝置、自動(dòng)線作機(jī)床的起動(dòng)開關(guān)、防盜裝置、自動(dòng)線上的計(jì)數(shù)和控制裝

14、置以及工程機(jī)械上的上的計(jì)數(shù)和控制裝置以及工程機(jī)械上的安全操作控制等。其特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)磨損，安全操作控制等。其特點(diǎn)是無(wú)觸點(diǎn)磨損，可靠性高，無(wú)振動(dòng)環(huán)節(jié)，不產(chǎn)生火花?？煽啃愿撸瑹o(wú)振動(dòng)環(huán)節(jié)，不產(chǎn)生火花。二、磁敏三極管磁敏三極管是在雙注入長(zhǎng)基區(qū)二極管的基礎(chǔ)上制成的一種結(jié)型磁敏晶體管。 (一)磁敏三極管的結(jié)構(gòu)原理 磁敏三極管分為鍺磁敏三極管(如3BCM型)和硅磁敏三極管(如3CCM型)兩種。它是在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，和普通三極管一樣也引出三個(gè)電極，用e、b、c表示。圖9-24為NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)。像磁敏二極管一樣，在長(zhǎng)基區(qū)的一個(gè)側(cè)面制成高復(fù)合區(qū)r。

15、長(zhǎng)基區(qū)分為運(yùn)輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。復(fù)合區(qū)的體積比從發(fā)射極到集電極的運(yùn)輸區(qū)的體積大得多。當(dāng)不受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而注入的載流子大部分通過(guò)eib形成基極電流Ib，少部分載流子被傳輸?shù)郊姌Oc形成集電極電流Ic。因而形成了基極電流大于集電極電流的情況，使電流放大系數(shù)= Ic/Ib1 ，如圖925(a)所示。當(dāng)受到正向磁場(chǎng)B+作用時(shí)，由于磁場(chǎng)力的作用，載流子偏向高復(fù)合區(qū)r一側(cè)，增大了載流子的復(fù)合速率，使集電極電流Ic 減小，如圖9-25(b)所示。當(dāng)反向磁場(chǎng)B-作用時(shí)，在磁場(chǎng)力的作用下，載流子向集電極c一側(cè)偏轉(zhuǎn)，載流子的復(fù)合速率減小，使集電極電流Ic增大，如圖9-25(c)所示。由上述分析可知，磁敏三極管的集電極電流Ic隨著外界磁場(chǎng)的變化而變化，具有較高的磁靈敏度。(二)主要特性 (1)磁電特性。磁敏三極管的磁電特性是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，在弱磁場(chǎng)作用下接近于一條直線，即集電極電流的變化隨磁感應(yīng)強(qiáng)度近似為線性關(guān)系。(2)伏安特性。磁敏三極管的伏安特性與普通三極管的伏安特性相似，但電流放大