深度解讀磁敏傳感器技術(shù)原理

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

一般的測磁儀器都是由磁敏元件、轉換器、信號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(lái)決定。信號處理電路可以提供放大、轉換(例如F/ V、A/D等轉換)、補償、校正等功能。

隨著(zhù)磁性材料的發(fā)展，人們利用各種磁性材料來(lái)作信息載體，例如計算機信息存儲、音像信息的記錄各種物體運動(dòng)信息，包括位置、位移、速度、轉速等等，都可以借助磁性體來(lái)作載體。因而需要大量的、各種各樣的磁的讀出、寫(xiě)入和傳感裝置。從而促使磁敏傳感器逐漸地和測磁儀器分離，形成了獨立的磁敏傳感器產(chǎn)品。磁敏傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，可以說(shuō)“任何一臺計算機、一輛汽車(chē)、一家工廠(chǎng)離開(kāi)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(zhù)磁敏傳感器。

磁敏傳感器的應用日益擴大，地位越來(lái)越重要，按其結構主要分為體型和結型兩大類(lèi)。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。他們都是利用半導體材料內部的載流子隨磁場(chǎng)改變運動(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原理制成的磁電式傳感器。

霍爾式傳感器

霍爾效應

置于磁場(chǎng)中的靜止載流導體或半導體，當它的電流方向和磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現象稱(chēng)霍爾效應。該電動(dòng)勢稱(chēng)霍爾電勢，載流導體（多為半導體）稱(chēng)霍爾元件?；魻栃菍w中的載流子在磁場(chǎng)中受洛侖磁力作用發(fā)生橫向漂移的結果。

如圖在與磁場(chǎng)垂直的半導體薄片上通電流I，假設載流子為電子（N型半導體材料），它沿與電流I相反的方向運動(dòng)。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側偏轉（如虛線(xiàn)箭頭方向），并使改側形成電子積累。而另一側形成正電荷積累，元件的橫向形成電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子繼續向側面偏移，當電子所受到的電場(chǎng)力fE與洛侖茲力fL相等時(shí)，電子積累達到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在兩端橫面之間建立的電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)EH，相應的電勢稱(chēng)為霍爾電勢UH。

設霍爾片的長(cháng)度為L，寬度為b，厚度為d。又設電子以均勻的速度v運動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應強度B的作用下，它受到洛侖茲力

又因為

當控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電勢并不改變方向。通常應用時(shí)，霍爾片兩端加的電壓為E，如果將霍爾電勢中的電流I改寫(xiě)成E，可使計算方便，根據

由上式可知適當地選擇材料遷移率(μ)及霍爾片的寬長(cháng)比(b/L)，可以改變霍爾電勢UH值。

霍爾元件的結構

器件電流(控制電流或輸入電流)：流入到器件內的電流。

電流端子A、B相應地稱(chēng)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相應地稱(chēng)為霍爾端或霍爾電極、輸出端。若霍爾端子間連接負載,稱(chēng)為霍爾負載電阻或霍爾負載。電流電極間的電阻，稱(chēng)為輸入電阻，或者控制內阻?；魻柖俗娱g的電阻，稱(chēng)為輸出電阻或霍爾側內部電阻。

霍爾元件的特性

UH－I特性

當磁場(chǎng)(B)恒定時(shí)，在一定溫度下，測定控制電流I與霍爾電勢UH，可得到良好的線(xiàn)性關(guān)系。直線(xiàn)的斜率稱(chēng)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，因為UH還與I有關(guān)。

UH－B特性

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

誤差分析及補償方法

1、元件幾何尺寸及電極焊點(diǎn)大小對性能的影響

①幾何尺寸對性能的影響

在霍爾效應原理分析時(shí)，我們是將霍爾片的長(cháng)度L看作無(wú)窮大來(lái)考慮的。實(shí)際上，霍爾片的長(cháng)度是有限的，如果L太小，當小到某個(gè)極限值時(shí)，霍爾電場(chǎng)會(huì )被控制電流極短路，因此在霍爾電勢的表達式中增加一項與幾何尺寸有關(guān)的系數，

實(shí)驗表明，當L/b>2時(shí)，形狀系數fH(L/b)接近1。為了提高元件的靈敏度，可適當增大L/b值，實(shí)際設計時(shí)取L/b=2就足夠了。

②電極焊點(diǎn)大小對性能的影響

霍爾電極的大小對霍爾電勢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，它對元件的靈敏度和線(xiàn)性度有較大的影響。研究表明，當l/L<0.1時(shí)，電極寬度的影響可忽略不計。

2、不等位電勢U0及其補償

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，當控制電流I流過(guò)元件時(shí)，即使磁感應強度等于零，在霍爾電勢極上仍有電勢存在，該電勢稱(chēng)為不等位電勢U0。不等位電勢是產(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以達到補償的目的。

半導體磁阻傳感器

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

磁阻效應

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

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

在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì )因磁場(chǎng)的作用而加長(cháng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導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——為磁感應強度；

ρ——材料在磁感應強度為B時(shí)的電阻率；

ρ0 ——材料在磁感應強度為0時(shí)的電阻率；

μ——載流子的遷移率。

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

圖 (a)是沒(méi)有柵格的情況，電流只在電極附近偏轉，電阻增加很小。在L>W長(cháng)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，這種柵格磁阻器件如圖2.2.1(b)所示，就相當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(chǎng)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體磁阻元件和強磁磁阻元件。其內部有制作成半橋或全橋等多種形式。

磁阻元件

長(cháng)方形磁敏電阻元件；

物理磁阻效應和幾何磁阻效應同時(shí)存在。

弱場(chǎng)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，g’增強很多，則msn增大，RBn增大。

科賓諾元件

結構形式

盤(pán)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)；

載流子的運動(dòng)路徑因磁場(chǎng)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(chǎng)強度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)——電阻特性的斜率。常用K表示，單位為mV/mA.kG即Ω.Kg。在運算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無(wú)磁場(chǎng)情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應強度時(shí)磁阻元件表現出來(lái)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(chǎng)——電阻特性

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)強度的增加而增加如圖(a)。在0.1T以下的弱磁場(chǎng)中，曲線(xiàn)呈現平方特性，而超過(guò)0.1T后呈現線(xiàn)性變化如圖 (b)。

強磁磁阻元件電阻——磁場(chǎng)特性曲線(xiàn)

從圖中可以看出它與磁阻元件曲線(xiàn)相反，即隨著(zhù)磁場(chǎng)的增加，電阻值減少。并且在磁通密度達數十到數百高斯即飽和。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℃的變化范圍內減小了1/2。因此，在應用時(shí)，一般都要設計溫度補償電路。

強磁磁阻元件的電阻——溫度特性曲線(xiàn)：

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3500ppm/℃。但是由于強磁磁阻元件為開(kāi)關(guān)方式工作，因此常用恒壓方式。

結型磁敏傳感器

磁敏二極管

結構

結型磁敏傳感器是一種PIN型二極管，可稱(chēng)為結型二端器件(也叫索尼二極管SMD)兩端為高摻雜的P+和n+區；較長(cháng)的本征區I稱(chēng)為長(cháng)基區二極管，I的一面磨成光滑的；另一面用擴散雜質(zhì)或噴砂法制成高復合區（稱(chēng)為r區），使電子-空穴對易于在粗糙表面復合而消失。施加正偏壓時(shí)p+-I結向本征區I注入空穴，n+-I結向本征區I注入電子，又稱(chēng)為雙注入長(cháng)二極管。

工作原理

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

圖(b)當受磁場(chǎng)B+（正向）時(shí)，電子和空穴受到FL向r區偏轉，在r區復合使I區電流減小、電阻增大，I區壓降增大、n+-I結和p+-I結上壓降減小，使注入載流子再次減小，直至正向電流減小到某一穩定值為止。

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

正向電壓下，加正向磁場(chǎng)和反向磁場(chǎng)時(shí)，PIN管的正向電流發(fā)生了很大的變化，且磁場(chǎng)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(xiàn)，輸出電壓一定，磁場(chǎng)正向時(shí)隨磁場(chǎng)增大電流減??；磁場(chǎng)負向時(shí)隨磁場(chǎng)負方向增加電流增加；同一磁場(chǎng)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)有負阻特性，即電流急劇增加，偏壓突然跌落；因高阻I區熱平衡載流子較少，注入I區的載流子在未填滿(mǎn)復合中心前不會(huì )產(chǎn)生較大的電流，只有填滿(mǎn)后電流才開(kāi)始急增，同時(shí)I區壓降減小，呈現負阻特性。

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使用兩種方式。單只使用時(shí)正向磁靈敏度大于反向?；パa使用時(shí)正、反向磁靈敏度曲線(xiàn)對稱(chēng)，且在弱磁場(chǎng)下有較好的線(xiàn)性。

單個(gè)使用時(shí)

互補使用時(shí)

3、溫度特性

在標準測試條件下輸出電壓變化量ΔU隨T變化。

4、四種常用補償電路

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

磁敏三極管

結構

****極e、基極b、集電極c；在射極和長(cháng)基區間的一個(gè)側面制成一高復合區r。

工作原理

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

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

圖(b)：當受到正向磁場(chǎng)(B+)作用時(shí)載流子受FL作用向****區一側偏轉，使IC明顯下降，同時(shí)基區復合增大，Ib增加量較小，電流放大倍數β減小。   

圖(c)：反向磁場(chǎng)(B-)作用時(shí)，載流子受FL作用向集區一側偏轉，使IC增大，基區復合減小，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(chǎng)時(shí)，Ic與B是線(xiàn)形關(guān)系

3、溫度特性

3ACM 3BCM 磁靈敏度的溫度系數為0.8%∕℃

3CCM磁靈敏度的溫度系數為-0.6%∕℃

4、頻率特性

磁場(chǎng)交變

3BCM 響應t=2us   截止頻率500KHz

3CCM 響應t=4us   截止頻率2.5MHz

新型磁傳感器

高分辨率磁性旋轉編碼器

按編碼方式的有絕對式和增量式兩種。

絕對式：將被測點(diǎn)的絕對位置直接轉換為二進(jìn)制的數字編碼輸出。中途斷電，重新上電后也能讀出當前位置的數據。

增量式：測量輸出的是當前狀態(tài)與前一狀態(tài)的差值。通常以脈沖數字形式輸出，然后用計數器計取脈沖數。需要規定脈沖當量（一個(gè)脈沖所代表的被測物理量的值）和零位標志（測量的起始點(diǎn)標志）。中途斷電無(wú)法得知運動(dòng)部件的絕對位置。

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

磁性旋轉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個(gè)長(cháng)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)檢測增量信號的磁阻元件，4個(gè)用于零道信號檢測的磁阻元件。

磁鼓旋轉時(shí)，磁場(chǎng)周期性地變化，磁阻也周期性地變化，且每個(gè)磁場(chǎng)周期對應兩個(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(xiàn)圈，工作時(shí)加上震蕩頻率為60kHz的電信號，其磁棒具有增強電磁感應的作用。當其磁棒和繞組平行接近被測導體時(shí)，震蕩線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)作用于導體，被測導體表面會(huì )產(chǎn)生與激勵磁場(chǎng)相交鏈的渦流，此渦流又產(chǎn)生一交變磁場(chǎng)反作用于線(xiàn)圈，以阻礙激勵磁場(chǎng)的變化；同時(shí)被測導體表面流動(dòng)的電渦流產(chǎn)生熱量消耗，使激勵線(xiàn)圈的電感量L、阻抗Z、品質(zhì)因數Q發(fā)生變化；因此可以利用線(xiàn)圈這些參數的變化，把被測導體的參數變換成電學(xué)量來(lái)測量。在線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)電容組成諧振電路，沒(méi)有金屬導體時(shí)的諧振頻率為f0，檢測到導體時(shí)諧振頻率偏離，若被測導體為非磁性材料，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隱蔽在地下、墻壁內等金屬管道、電纜或導線(xiàn)。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(lái)表示探測儀與被測物體的距離。

另外，以磁性材料為主開(kāi)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(kāi)關(guān)、利用法拉第原理設計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、磁性金屬/非磁性絕緣體/磁性金屬(FM/I/FM)型隧道結Fe/Al2O3/Fe的隧道巨磁電阻效應(TMR)、類(lèi)鈣態(tài)礦結構Mn系氧化物Ln1-xMxMnO3氧化物的特大磁電阻效應(CMR)制備成高精度磁敏電阻，在實(shí)現自動(dòng)化高精密控制方面具有廣闊的應用前景。