第8章磁电式传感器part2.ppt

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1、第二节 磁敏电阻器 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：,为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强

2、烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW的扁平器件串联起来，就会零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。,图8-7（a）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在LW长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图8-7（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁,L,W,B,B,图8-7

3、几何磁阻效应,I,I,（a,（b,阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。,1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。,（二）磁阻元件的主要特性,2 磁场电阻特性,图8-8磁阻元件磁场电阻特性,N级,0.3,0.2,0.1,0,0.1,0.2,0.3,R/,1000,50

4、0,S级,(a)S、N级之间电阻特性,B/T,15,RBR0,10,5,温度(25),弱磁场下呈平方特性变化,强场下呈直线特性变化,0,(b)电阻变化率特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,B/T,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化,图8-9 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线,图8-9显示的是强磁磁阻元件的磁场电阻特性曲线。从图中可以看出它与图8-8（a）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。,3 电阻温度特性

5、 图8-10是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件,103,8,4,2,102,4,2,10,6,-40,0,20,60,100,温度/,电阻变化率%,图8-10半导体元件电阻-温度特性曲线,的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,图8-11是强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。,130,100,50,电阻变化率%,-30,BX10-4/T,电阻+3500ppm/,0,输出(恒流工作)-500ppm/,输出(恒压工作)-300ppm/,图8-11 强磁阻元件

6、电阻-磁场特性曲线,可以看出，采用恒压供电时，可以获得500ppm/的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达3500 ppm/。但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因此常用恒压方式。,60,（三）磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,第三节 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极

7、管、三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。,一磁敏二极管的结构与工作原理,1、磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗，并引出，若

8、代表长基区，则其PN结实际上是由P结和N结共同组成。以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。,磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号,H+,H-,N+区,p+区,i区,r区,电流,（a）,在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。,P,N,P,N,P,N,H=0,H+,H-,电流,电流,电流,（a）,（b）,（c）,磁敏二极管的工作原理示意图,流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同

9、。为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。,2、磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，,i,i,i,电子,空穴,复合区,结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,3磁敏二极管的主要特征（1）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端,正向偏压和通过它的电流的关系曲线

10、。,由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。一种如图8-12（b）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图8-12(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。,（2）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。,图8-13给出磁敏二极管单个使用和互补使用

11、时的磁电特性曲线。,（3）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量（或无磁场作用时中点电压）随温度变化的规律，如图所示。,由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，u0的温度系数小于20mV，的温度系数小于0.6%/。而锗磁敏二极管u0的温度系数小于-60mV，的温度系数小于1.5%/。所以，规定硅管的使用温度为-4085，而锗管则现定为-4065。,（4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小

12、于1，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。,5）磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a）在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（hu），即：u 0磁场强度为零时，二极管两端的电压；u B磁场强度为B时，二极管两端的电压。(b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（hi），即：,(c)在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。,二磁敏三极管的结构与原理,1、磁敏三极管的结构 NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体

13、上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元,图8-16 NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构 b)符号,r,N+,N+,c,e,H-,H+,P+,b,c,e,b,a）,b）,件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。,i,2、磁敏三极管的工作原理,当不受磁场作用如图8-17(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当受到H磁场作用如图8-17（b）时，由于洛仑兹

14、力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当受 磁场使用如图8-17(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。,/b=5mA,Ib=4mA,Ib=3mA,Ib=2mA,Ib=1mA,Ib=0mA,IC,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,2,4,6,8,10,VCE/V,/mA,VCE/V,Ib=3mA B-=0.1T,Ib=3mA B=0,Ib=3mA B+=0.1T,2,4,6,8,10,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,IC,/mA,图8-18 磁敏三极管伏安特性曲线,3、磁敏三极管的主要特性（1）伏安特性 图8-18(b)给

15、出了磁敏三极管在基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0.1T时的集电极电流的变化；图8-18(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。,（2）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图8-19所示。,B/0.1T,Ic/mA,0.5,0.4,0.3,0.2,0.1,1,5,2,3,4,-1,-2,-3,图8-19 3BCM磁敏三极管电磁特性,由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。,(3)温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三极管的温度系数为0.8；3CCM磁敏三极管的温度系数为-0.6。3BCM的

16、温度特性曲线如图8-20所示。,温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度系数；一种是磁灵敏度 的温度系数。在使用温度t1 t2范围 Ic0的改变量与常温（比如25）时的Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为Ic0的温度系数 Ic0CT，即：,同样，在使用温度t1t2范围内，的改变量与25时的 值之比，平均每度的相对变化量被定义为 的温度系数：,对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时）Ib0的大小决定。当Ib04mA时，此无灵敏度温度

17、点处于+40左右。当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当Ib0=2mA时，此温度点可达50左右。但另一方面，若Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。,（5）磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度 和负向灵敏度 两种。其定义如下：式中 受正向磁场B+作用时的集电极电流；受反向磁场B-作用时的集电极电流；不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。,（4）频率特性 3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为1

18、0kHz。,三、磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,四、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表,3CCM型硅磁敏三极管参数表,