深度剖析磁敏传感器技术原理

通用磁测量仪器由磁传感器、转换器、信号处理电路和读出电路组成。仪器的基本性能(如灵敏度、动态范围和精度)主要由其传感器决定。信号处理电路可以提供放大、转换(如F/V、A/D转换)、补偿和校正等功能。

随着磁性材料的发展，人们利用各种磁性材料作为信息载体，如计算机信息存储、记录视听信息和各种物体运动信息，包括位置、位移、速度、转速等。所有这些都可以由磁性材料承载。因此，需要大量各种磁读取、写入和感测设备。因此，磁传感器逐渐与磁测量仪分离，形成独立的磁传感器产品。随着磁传感器行业的快速发展，可以说“任何电脑、汽车、工厂，没有磁传感器都无法正常工作”。同时，磁传感器已经渗透到人们的日常生活中，许多家用电器广泛使用磁传感器。

磁传感器的应用日益扩大，其地位越来越重要。根据其结构，磁传感器可分为两类：体式和结式。前者以霍尔传感器为代表，后者以磁敏二极管、磁敏晶体管等为代表。它们都是利用半导体材料中载流子随磁场改变运动方向的特性制成的磁传感器。此外，还有基于电磁感应原理的磁电传感器。

霍尔传感器

霍尔效应

当静态载流导体或半导体置于磁场中的电流方向与磁场的电流方向不一致时，载流导体垂直于电流和磁场方向的两个表面之间就会产生电动势，这就是霍尔效应。这种电动势被称为霍尔电势，载流导体(主要是半导体)被称为霍尔元件。霍尔效应是导体中载流子在磁场中洛伦兹磁力作用下横向漂移的结果。

如图使电流I垂直于磁场流过半导体薄片。假设载流子是电子(N型半导体材料)，它以与电流I相反的方向运动.由于洛伦兹力F1，电子将偏转到一侧(如虚线箭头所示)，电子将聚集在修改侧。而另一侧形成正电荷积累，元件横向形成电场。电场阻止电子继续向侧面移动。当施加在电子上的电场力fE等于洛伦兹力fL时，电子积累达到动态平衡。此时两端横平面之间建立的电场称为霍尔电场EH，对应的电势称为霍尔电势UH。

设霍尔板的长度、宽度和厚度分别为L、B和D。让电子匀速v运动，在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，会受到洛伦兹力。

因为再一次

当控制电流或磁场的方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场和电流同时改变方向时，霍尔势不改变方向。通常，霍尔板上施加的电压为E。如果霍尔电位中的电流I被改写为E，计算将很方便，根据

从上面的公式可以看出，适当选择霍尔板的材料迁移率()和纵横比(b/L)可以改变霍尔电位的UH值。

霍尔元件的结构

器件电流(控制电流或输入电流):流入器件的电流。

电流端子A和B相应地称为设备电流端子、控制电流端子或in

当磁场(B)不变时，通过测量某一温度下的控制电流I和霍尔电位UH，可以得到很好的线性关系。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示。

因此，具有高灵敏度KH的元件的控制电流灵敏度KI通常较高。但是敏感成分UH不一定大，因为UH也和I有关。

Uh-b特性

当控制电流I保持不变时，元件的开路霍尔输出不完全呈现与磁场增大的线性关系，而是具有非线性偏差。

误差分析及补偿方法

1.元件几何尺寸和电极焊点尺寸对性能的影响

(1)几何尺寸对性能的影响

在分析霍尔效应的原理时，我们认为霍尔板的长度L为无穷大。事实上，霍尔板的长度是有限的。如果L太小，当太小到一定的极限值时，霍尔电场就会被控制电流极短路。因此，与几何尺寸相关的系数被添加到霍尔势的表达式中。

实验表明，当l/b为2时，形状因子fH(L/b)接近1。为了提高元器件的灵敏度，可以适当提高L/b值，实际设计中取L/b=2就足够了。

电极焊点尺寸对性能的影响

霍尔电极的大小对霍尔电位的输出也有一定的影响。根据理想元件的要求，控制电流的电极应与霍尔元件表面接触良好，而霍尔电极与霍尔元件点接触。实际上，霍尔电极有一定的宽度L，这对元件的灵敏度和线性度有很大的影响。研究表明，当l/l为0.1时，电极宽度的影响可以忽略。2.不等电位U0及其补偿

制作霍尔元件时，不可能保证霍尔电极焊接在同一个等电位面上。如图，当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，霍尔电极上仍然存在一个电势，这称为不等电势U0。不相等的电势是零误差的主要原因。等效电路如图表明，如果两个霍尔电极在同一等电位平面上，r1=r2=r3=r4，则电桥平衡，U0=0。当霍尔电极不在同一个等电位平面上时如图2 . 1 . 3)，由于r3增加，r4减少，电桥平衡被破坏，使U00。有各种方法可以减少不平等的潜力，达到补偿的目的。

半导体磁阻传感器

磁阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，又称MR元件。其理论基础是磁阻效应。

磁阻效应

磁阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，又称MR元件。其理论基础是磁阻效应。

如果在有电流的金属片或半导体材料上施加一个垂直或平行于电流的外磁场，其电阻值会增加。这种现象称为磁阻变化效应，简称磁阻效应。

在磁场中，电流的流动路径会因磁场而变长，这将增加材料的电阻率。如果金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率差异很大，电阻率的变化主要是由迁移率较高的载流子引起的，可以表示为：

B——为磁感应强度；

当磁感应强度为B时， 3354材料的电阻率；

当磁感应强度为0时， ——材料的电阻率；

——载流子的迁移率。

当材料中只有一种载流子时，磁阻效应几乎可以忽略不计，霍尔效应甚至更强。在电子和空穴都存在的材料(如锑化铟)中，磁阻效应非常强。磁阻效应也与样品的形状和大小密切相关。这种与样品形状和大小有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。矩形磁阻器件只有在L(长)w(宽)的条件下才表现出较高的灵敏度。L“W”的扁平器件串联，可以得到零磁场电阻更大、灵敏度更高的磁阻器件。

图(a)显示了没有栅极的情况，电流仅在电极附近偏转，电阻几乎没有增加。在L-W矩形磁阻材料上制作许多等间距的平行金属条(短路栅)，以短路霍尔电位。如如图2 . 2 . 1(b)所示，这种网格磁阻器件相当于许多扁平条形磁阻器的串联。因此，栅极磁阻器件不仅增加了零磁场电阻值，而且提高了磁阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件包括半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部可做成半桥或全桥等形式。

磁阻元件

矩形磁阻元件；

物理磁阻效应和几何磁阻效应并存。

弱场中的磁阻比

栅极磁阻高灵敏度电阻

g’是子元素的形状系数。如果g  '增强很多，msn会增加，RBn会增加。

钴元素

结构形式

圆盘元件；

外圆的中心和外围设有电流电极。

原则：

电流在两个电极之间流动；

载体的运动路径由于磁场而弯曲；

阻力增加

磁阻特性

敏感

磁阻元件的灵敏度特性用一定磁场强度下的电阻变化率表示，即磁场——的电阻特性的斜率。常用k，单位为毫伏/毫安千克，即。公斤.计算中常用RB/R0。R0表示不存在磁场时磁阻元件的电阻值，RB表示磁感应强度为0.3T时磁阻元件的电阻值为app

从图中可以看出，它与磁阻元件的曲线相反，即随着磁场的增大，电阻值减小。并且在磁通密度达到几十到几百高斯时达到饱和。一般来说，电阻会变化百分之几。

电阻——的温度特性

从图中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。图中电阻值在35范围内下降1/2。因此，在应用中，一般需要设计温度补偿电路。

电阻——强磁阻元件的温度特性曲线；

图中分别显示了恒流和恒压电源的温度特性。恒流电源可以获得500 ppm/的良好温度特性，而恒压电源的温度特性高达3500ppm/。然而，因为GMR元件在开关模式下工作，所以通常使用恒压模式。

结磁传感器

磁敏二极管

结构

结型磁传感器是PIN二极管的一种，可称为两端高掺杂P、N区的结型二端器件(也称索尼二极管SMD)。较长的本征区I称为长基区二极管，I的一侧接地平滑；另一方面，高复合区(称为R区)是通过扩散杂质或喷砂制成的，这使得电子-空穴对容易在粗糙表面复合并消失。当施加正偏压时，p  -I结向本征区I注入空穴，n  -I结向本征区I注入电子，也称为双注入长二极管。操作原理

图(a)在没有磁场的情况下，大量空穴以正偏压从P区通过I进入N区，大量电子从N区通过I进入P区，形成电流。I区只有少量的电子和空穴重新结合。

图(B)当受到磁场B(正向)作用时，电子和空穴被FL偏转到R区。R区的复合使I区的电流减小，电阻增大，I区的压降增大，n  -I结和p  -I结上的压降减小，使得注入的载流子再次减少，直到正向电流减小到某一稳定值。

图(c)当施加磁场B-(反向)时，n  -I和p  -I结处的电压降增加，这增加了注入的载流子，并进一步增加电流，直到电流达到饱和。

在直流电压下，施加正向磁场和反向磁场时PIN管的正向电流变化较大，不同磁场下电流变化不同。

磁敏二极管的主要特性

1、伏安特性——正向偏压与电流的关系

锗磁敏二极管的伏安特性曲线表明，当磁场为正时，输出电压恒定，电流随磁场的增大而减小。当磁场为负时，电流随着负方向磁场的增大而增大；相同磁场中电压越大，输出电流变化越大。

图(b，c)显示了硅磁敏二极管的伏安特性。图(c)具有负阻特性，即电流急剧增加，偏置电压突然下降；由于高电阻I区的热平衡中载流子较少，注入I区的载流子在复合中心被填充前不会产生大电流，只有在复合中心被填充后电流才会急剧增加，而I区的压降会降低，呈现负阻特性。

2.磁电特性

给定条件下磁敏二极管输出电压变化与外加B的关系。通常有单用和互补两种使用方式。单独使用时，正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度。互补时，正反磁灵敏度曲线对称，在弱磁场下具有良好的线性。

一次性使用时间

使用中的互补性

3.温度特性

在标准测试条件下，输出电压变化 u随时间变化.

4.四个公共补偿电路

互补温度补偿电路图(A)；差分温度补偿电路图(B)；全桥温度补偿电路图(C)；热敏电阻温度补偿电路图(d)。

磁敏三极管

结构

e，发射极，基极b和集电极c；在发射极和长基极区的一侧形成高复合区r。

操作原理

分析磁场强度B变化时基极电流Ib、集电极电流Ic和电流放大系数的变化。

图(a):当b=0时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，注入发射极区的少数载流子输入C，大部分通过e-p-b形成Ib，Ib”Ic，电流放大系数为 1。

图(b):施加正磁场(b)时，载流子被FL偏转到发射区一侧，使ic明显下降，同时基极复合增加，Ib增加较小，电流放大系数减小。

图(c):当施加反向磁场(B-)时，载流子被FL偏转到集电极侧，这使得ic增加，基极复合减少，增加，IB几乎不变。

磁敏三极管的主要特性

1、伏安特性

2.磁电特性

当磁场较弱时，ic和B的关系是线性的。

3.温度特性

3ACM  3BCM磁敏温度系数为0.8%∕.

3厘米磁敏的温度系数是-0.6%∕.

4.频率特性

交变磁场

3BCM响应t=2us截止频率500KHz

3cm响应t=4us截止频率2.5MHz

新型磁传感器

高分辨率磁性旋转编码器

有两种编码方法：绝对式和增量式。

绝对

磁鼓：在铝合金主轴上涂上一层磁介质(-Fe2O3)，并磁化成偶数个磁极，长度为。

磁阻头：在玻璃基板上镀一层Ni81Fe19合金薄膜，有10个磁阻元件用于检测增量信号，4个磁阻元件用于零通道信号检测。

磁鼓旋转时，磁场周期性变化，磁阻也周期性变化，每个磁场周期对应两个磁阻变化周期，具有倍频特性。