磁场传感器介绍.ppt

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资源描述

1、磁敏传感器介绍,内容介绍: 一;磁传感器发展历史(引言) 二;磁敏传感器工作原理 三;半导体传感器特点 四;简述美国Crossbow公司 CXCOMPASS传感器,一:引言,磁场传感器是可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。 自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场,可作为许多种信息的载体。因此,探测、采集、存储、转换、复现和监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务,自然就落在磁场传感器身上。在当今的信息社会中,磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前,人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁传感器,并已在

2、科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用,承担起探究种种信息的任务。,目前已经出现的半导体磁传感器,主要有霍尔效应传感器(Hall effect sensor)、半导体磁致电阻器(Semiconductive magneto-resistor)、磁敏二极管(Magneto-diode)、载流子畴磁强计(Carrier domain magnetometer)、Z-元件以及以这些元器件为磁电转换器(或称敏感头)的各种半导体磁敏功能器件,例如磁敏开关集成电路、直流无刷电机专用电路、磁敏运算放大器、磁罗盘和三维磁强计等等,并形成了一个庞大的产品群落,其中发展最早、最成熟、应用最广泛、产量最大的,首

3、推霍尔效应器件(以下简称霍尔器件)。 除了上述以半导体磁敏器件作为敏感头的各种全半导体磁敏传感器之外,目前,其他各种磁传感器,例如超导量子干涉器件(SQUID)、核磁共振磁强计(Nuclear magnetic resonance magnetometer)、铁磁金属膜磁致电阻器(Ferromagnetic metal thin film resistor)、巨磁致电阻(Giant magneto-resistance)器件、巨磁致阻抗(Giant magneto-impedance)器件、磁通门磁强计 (Fluxgate magnetometer)和磁感应传感器(Magneto-induct

4、ive sensor)等等,都在不断的改进中,逐步使其敏感头结构和工艺以及信号处理电路等和半导体集成技术兼容,并利用半导体材料和技术,向微型化、集成化、系统化、智能化的方向稳步前进。本文以半导体磁电转换器为敏感头的磁传感器为讨论重点。,二、半导体磁传感器的基本结构与工作原理,半导体的导磁率低,它们的r1,磁场不会使它发生磁化。那么,它靠什么来实现磁电转换呢? 我们知道,半导体片中的电流是其中的载流子(电子和空穴)在电场作用下作漂移运动所形成的。运动的载流子周围感生磁场,外磁场和载流子产生的磁场相互作用会产生力,即洛仑兹力。这个力使载流子的运动路径发生变化,使电流发生了偏转,这是一切半导体磁场传

5、感器的物理基础。 各种半导体磁场传感器的性能,都决定于它们使用的材料性质,几何因数(形状、尺寸、结构安排)和工作条件(工作电流、电压、外加磁场的磁感应强度、方向等) 。 下面,对各种半导体磁场传感器的基本结构和工作原理作简要介绍。,1、霍尔效应器件 对于一个有足够长度的半导体片来说,洛仑兹力使载流子路径发生弯曲并会产生一个电场力,这个电场力会拒斥继续偏转过来的载流子,直到电场力和洛仑兹力相等,建立一种动态平衡。这时,在半导体片两侧会产生电位差,这便是霍尔效应。 霍尔器件即是根据霍尔效应原理设计的磁场敏感元件,其中CCl和CC2为电流电极,Sl和S2叫敏感电极,在CCl和CC2间通入工作电流I,

6、在与芯片表面垂直的方向加上磁感应强度为B的磁场,则在Sl和S2间可得到霍尔电压VH。若令I恒定,则称为电流驱动工作方式,有: VH= GBI (1) 式中,q电子电荷; G几何修正因子; B外加磁场磁感应强度; t霍尔片厚度; n载流子(电子)浓度。 可以看出,VH正比于B,因而可用来传感和测量磁场。 若令工作电压V恒定,则为电压驱动工作方式,有:VH=mn GBV (2) 式中:mn在磁场作用下的载流子迁移率,又称霍尔迁移率。在n型材料中, mn为磁场作用下的电子迁移率。 W 霍尔片宽度; L霍尔片长度; 式(1)和式(2)说明,为了得到高的霍尔电压,采用霍尔迁移率高的半导体材料,并将霍尔片

7、做的尽可能薄,让作用区中的电子浓度尽可能低。,霍尔片也可作成MOS管结构,利用它的导电沟道来作敏感作用区。 一般的霍尔片的工作电流,都在芯片中平行于芯片表面流动,被测磁场垂直于芯片表面,这类霍尔片称作横向霍尔片。随着半导体集成技术和微电子机械加工(MEMS)技术的日趋成熟,又出现了用MEMS技术进行机械开槽或用深层掩埋方法,使工作电流垂直于芯片表面流动,对平行于芯片表面的磁场敏感的新型霍尔片,称为“垂直霍尔元件”.,2、磁致电阻器 宏观的看,洛仑兹力使电流发生偏转,使其路径增长,因此电阻增大,这就是磁致电阻效应(magneto-resistance effect),利用这种效应制成磁致电阻器。

8、 在BB0时,R/B很小,即灵敏度低,大于这个值后,R/B迅速增大。对于InSb磁致电阻,B0值约为30mT。单个小磁致电阻的阻值和变化值都太小,实际使用中是将许多小片串联起来,使其总的电阻和随磁场变化的电阻都增高,以符合实际使用的要求,,3、磁敏二极管磁敏二极管的结构及其伏安特性。如图所示,这是一个PIN管,i区的上下两面具有不同的复合速度。我们假定Sl=0,即没有复合速度,而 S2,即非常有效的复合。若令管子正偏,空穴自p区注入i区,并将管子放在磁场中,这样其中的载流子在洛仑兹力的作用下,会朝Sl或S2偏转(方向由磁场方向来决定),磁场垂直于纸面向里,载流子偏向Sl,在这里不复合,载流子浓

9、度增高,由于电导调制效应,磁敏二 极管的总压降会减小,反之,若磁场方向向外,载流子偏向S2,在这里很快复合, 载流子浓度降低,使管压降增大。这样,磁场的作用使二级管伏安特性发生了变化。 上文所述电导调制效应,实质上就是在磁场作用下使载流子偏向不同复合速度的表面从而改变二极管电流(也可看作改变电导)的一种作用,这种作用也称磁敏二极管效应。,4、磁敏场效应管 将MOS场效应管的漏极做成对称分离的Dl和D2(当然也可多于两个漏极)。未加磁场时,漏极电流ID1=ID2=ID/2,加上垂直于芯片表面的磁场后,由于洛仑兹力的偏转作用,使ID1ID2,ID1增大多少,ID2就减小多少,ID1-ID和外加磁场

10、成比例,可作为磁场的量度。5、磁敏晶体管 将晶体管作成对称的双集电极结构,未加磁场时IC1=IC2,加上和芯片表面垂直的磁场后, IC1-IC2和磁场成比例,可作为磁场的量度。 已有的多种样式的磁敏晶体管,同时垂直磁敏晶体管也已研究成功,6、载流子畴磁强计pnpn四层结构(也有用三层结构的),采用双向注入。载流子畴是由高浓度的非平衡载流子形成的线状等离子区。在磁场作用下,该线状载流子畴会整体地发生位移,产生电流差,可用来度量磁场。它的灵敏度高,而且,若将器件作成圆形,在磁场作用下可令载流子畴在其中旋转,用多个收集极来接收电流,畴每通过一个收集极便给出一个脉冲,因此,可获得与被测磁场成比例的频率

11、输出信号。7、 Z-元件 它是一个改性PN结元件,它是p+-p-n-i-n+ 的四层结构,其核心部位是n型高阻硅n-i区,称为掺金硅区。掺金引入的深能级将高阻n区补偿为n-型,甚至变为本征i型。用这种结构获得了称为“L型”的伏安特性。该特性分为三个工作区Ml为高阻区、M2为负阻区、M3为低阻区;四个特征参数Vth为阈值电压、Ith为阈值电流、Vf为导通电压、If为导通电流;两个稳定工作状态高阻态和低阻态。,8、半导体磁敏集成电路 以霍尔片为敏感头,加上各种保障电路(例如调整、补偿和保护等电路)和信号处理电路(例如放大器、施密特触发器、带通滤波器和输出器等电路)构成各种功能电路,包括霍尔线性电路

12、、霍尔开关电路、霍尔功率电路、霍尔微功耗电路、霍尔齿轮传感器电路、霍尔磁罗盘和霍尔三维磁强计等等,大大地拓宽了霍尔片的使用范围。 现在,我们来介绍一种输出频率信号的霍尔电路。它用霍尔片做传感头,将磁场信号转变为电压信号,再用一个PNP管进行电压-电流变换,用输出的电流去控制两个用I2L技术制成的环形振荡器;用它们的差频来做输出信号,实现电流-频率的变换。这些变换都是线性的。因此,可以得到磁场-频率的线性关系。它的工作原理见图15。 这里的频率信号,以脉冲计数来作为载体,因为是数字信号,在传输时,不易受到干扰,且易于与计算机兼容,接口转换非常简单。随着微机控制应用的日益广泛,对这类器件的需求会越来越大。 除可以用霍尔片作敏感头之外,磁敏晶体管等也可以作为敏感头来构成许多集成电路,例如磁敏运算放大器,三维磁强计和输出频率信号的集成磁传感器等。,

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