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1、,磁传感器,新型传感技术及应用,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,【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
2、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。,声表面波传感器,【磁传感器的工作原理】,2.1电磁效应与洛
3、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。,【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
4、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
5、向前进。,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
6、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：,【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：,【磁传感器的工作原理】,对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，
7、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。,【磁传感器的工作原理】,2.3磁阻效应物质的电阻在外加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
8、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
9、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
10、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。,【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，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。
11、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。,声表面波传感器,【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
12、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。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
13、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。,【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。
14、（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。,【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，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
15、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：（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
16、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
17、件，它的控制电流方向从表面的电流电极垂直于外延层表面，而被测磁场方向则与元件表面平行，这种元件为纵向霍尔元件。,【霍尔元件与霍尔传感器】,在用于测量BX的那个纵向霍尔元件旁边，制备一个垂直于它的纵向霍尔元件，用于测量BY，紧挨着这两个纵向霍尔元件，再制备一个横向霍尔元件，用于测量BZ，就是三维磁向量霍尔元件，由两个纵向霍尔元件分别测量BX，BY，一个横向霍尔元件测量BZ。三维磁向量霍尔元件与相应的信号变换处理电路匹配，便构成三维磁向量霍尔传感器，即可把BX，BY和BZ进行合成运算，得到磁场B的大小，并且示出B的方向。3.4.3无触点开关（接近开关）由霍尔元件及相应的霍尔开关信号处理电路组成的无
18、触点霍尔开关磁传感器电路。利用永久磁铁提供一定的磁场强度。当霍尔元件接近永久磁铁时就会产生霍尔电压，再根据需要将该信号加以放大便可实现无触点开关的功能。,声表面波传感器,【磁阻元件和传感器】,4.1磁阻元件与四端子结构的霍尔元件相比，磁阻元件仅有一对电流电极，为两端子结构。当无磁场时，电流沿电场方向平行运动到对面的电极，如图a所示。若在电场中垂直地施加外界磁场时，由于霍尔效应使得电流偏离电场方向某个霍尔角，如图b所示。在两端设置电流电极的元件中，由于外界磁场的存在，改变了电流的分布，电流所流经的途径变长，故电极间的电阻值增加，这就是磁电阻效应。,【磁阻元件和传感器】,一个长为l，宽为w，厚为d
19、的半导体矩形薄片，在l的两个端面形成两个欧姆接触作为电流电极，构成一矩形磁阻元件。从搞电子迁移率考虑，可能只有InSb材料能作为实用的磁阻元件。如果知道霍尔角和磁场的关系，就可以了解磁阻效应和磁场的相互关系，可表示为：高纯度InSb的磁阻效应的解析结果如图所示。从图可见：1.元件的长宽比l/w越小，磁阻效应RB/R0越大。2.磁通密度高的地方，电阻呈线性增加。,【磁阻元件和传感器】,为了增加元件的磁阻效应，设计了InSb-NiSb型磁阻元件。制备时先将InSb和NiSb熔化在一起，冷却过程中NiSb晶体从InSb中析出，呈细针状，并平行地排列在InSb中，致导电性能良好，能自动地使用电流垂直于
20、NiSb针状晶体流动，如图所示。由于NiSb针状晶体起着电极作用，所以InSb-NiSb型磁阻元件本身就会表现出较强的磁阻效应。实用的InSb-NiSb型磁阻元件，常采用曲型结构。由于元件为曲折型，有可能将处于零磁场中的元件阻值R0作成数百欧乃至千欧。,【磁阻元件和传感器】,4.2磁阻式传感器应用举例1.磁阻式无触点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时，会使元件的阻值增大，由于磁阻元件的输出信号大，故无需再将信号放大便可直接驱动功率三极管，实现无触点开关的功能。2.转速传感器。在被测转速的轴上装一个齿轮状的磁导体，对着齿轮固定一永久磁铁，差动磁阻元件粘贴在永久磁铁上面，当被测轴旋转时带动齿轮状磁导体
21、一起转动，于是差动磁阻元件便可检测出齿轮的凹凸所产生的磁场变化。从而便可可测出通过磁阻元件的齿轮凹凸数，求出一定时间内所通过的齿轮凹凸的数目，便可知道被测轴的转速。由于使用差动式磁阻元件，利用其电压分压比的方法，还可测出轴的旋转方向，也能测定齿轮的位置。,声表面波传感器,【硅谐振式磁传感器简介】,基于霍尔效应的霍尔传感器，在许多领域有着广泛的应用，相应范围宽，从直流到高频均能适用；但是，对于弱磁场的测量它的灵敏度比较低。借助MEMS加工技术制作出一些高灵敏度的磁敏结构：在刻蚀成形的硅矩形薄膜片表面上，淀积有矩形线圈，在硅膜片的长边两侧经扭杆与框架相连，一起组成硅膜片谐振结构。其原理为：当正弦交
22、变电流i流经线圈时，将激励硅膜片以其扭转固有频率绕扭杆谐振，与此同时，施加在平面内的外磁场B，便产生垂直于磁场和电流方向的洛伦兹力F+,F-。在洛伦兹力的作用下，扭转谐振的振幅必将发生变化，利用电容器检测出该振幅的变化量，即可得知被测磁场的强度。特点：由于谐振结构对洛伦兹力的灵敏度很高，对磁感应强度的分辨率可以达到10的-9次方T级左右，故这种谐振结构的磁传感器可以用来对较弱的磁场进行测量。另外，谐振结构的磁传感器还具有噪声低、响应速度块和功耗低的特点。,【硅谐振式磁传感器简介】,利用磁场激励，和电容器检测的谐振式角速率传感器原理。器谐振敏感元件为由硅晶体制成的音叉结构，传感器整体由玻璃硅玻璃组合制成。音叉置于永久磁铁提供的磁场中，两端通过扭杆支撑。其原理如下：当交变电流流经音叉时，由于受洛伦兹力的作用，激励音叉在平面内发生弯曲谐振。在磁基础上，当有角速度绕X轴转动时，又引起科氏效应，导致谐振状态下的音叉又通过扭杆绕X轴作扭转谐振动，称其为检测振动。检测振动的振幅正比于角速率。借助于电容器检测出振幅值的变化，便可得知角速率。,Thank you!,
