深度解讀磁敏傳感器技術原理

磁敏傳感器是將磁場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，研制和生產出了幾十個大類上百種測磁儀器。

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、動態(tài)范圍、精確度)，主要由它的傳感器來決定。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。

隨著磁性材料的發(fā)展，人們利用各種磁性材料來作信息載體，例如計算機信息存儲、音像信息的記錄各種物體運動信息，包括位置、位移、速度、轉速等等，都可以借助磁性體來作載體。因而需要大量的、各種各樣的磁的讀出、寫入和傳感裝置。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品。磁敏傳感器產業(yè)發(fā)展迅猛，可以說“任何一臺計算機、一輛汽車、一家工廠離開磁敏傳感器就不能夠正常工作”。同時，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磁敏傳感器。

磁敏傳感器的應用日益擴大，地位越來越重要，按其結構主要分為體型和結型兩大類。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改變運動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

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

如圖在與磁場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。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側偏轉（如虛線箭頭方向），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。該電場阻止電子繼續(xù)向側面偏移，當電子所受到的電場力fE與洛侖茲力fL相等時，電子積累達到動態(tài)平衡。這時，在兩端橫面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。

設霍爾片的長度為L，寬度為b，厚度為d。又設電子以均勻的速度v運動，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方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍爾電勢并不改變方向。通常應用時，霍爾片兩端加的電壓為E，如果將霍爾電勢中的電流I改寫成E，可使計算方便，根據

由上式可知適當?shù)剡x擇材料遷移率(μ)及霍爾片的寬長比(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相應地稱為霍爾端或霍爾電極、輸出端。若霍爾端子間連接負載,稱為霍爾負載電阻或霍爾負載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內阻。霍爾端子間的電阻，稱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(B)恒定時，在一定溫度下，測定控制電流I與霍爾電勢UH，可得到良好的線性關系。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，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。

UH－B特性

當控制電流I保持不變時，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈現(xiàn)線性關系，而有非線性偏離。

誤差分析及補償方法

1、元件幾何尺寸及電極焊點大小對性能的影響

①幾何尺寸對性能的影響

在霍爾效應原理分析時，我們是將霍爾片的長度L看作無窮大來考慮的。實際上，霍爾片的長度是有限的，如果L太小，當小到某個極限值時，霍爾電場會被控制電流極短路，因此在霍爾電勢的表達式中增加一項與幾何尺寸有關的系數(shù)，

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

②電極焊點大小對性能的影響

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接觸。實際上，霍爾電極有一定的寬度l，它對元件的靈敏度和線性度有較大的影響。研究表明，當l/L<0.1時，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，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流過元件時，即使磁感應強度等于零，在霍爾電勢極上仍有電勢存在，該電勢稱為不等位電勢U0。不等位電勢是產生零位誤差的主要原因。其等效電路如圖所示，若兩個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（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?shù)哪康摹?/span>

半導體磁阻傳感器

磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱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變化而變化的磁敏元件，也稱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，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應，簡稱為磁阻效應。

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，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時的電阻率；

ρ0 ——材料在磁感應強度為0時的電阻率；

μ——載流子的遷移率。

當材料中僅存在一種載流子時磁阻效應幾乎可以忽略，此時霍耳效應更為強烈。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。這種與樣品形狀、尺寸有關的磁阻效應稱為磁阻效應的幾何磁阻效應。長方形磁阻器件只有在L(長度)<W(寬度)的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來，就會零磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。

圖 (a)是沒有柵格的情況，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

長方形磁敏電阻元件；

物理磁阻效應和幾何磁阻效應同時存在。

弱場時的磁阻比

柵格型磁敏電阻→高靈敏電阻

g’為子元件的形狀系數(shù)，g’增強很多，則msn增大，RBn增大。

科賓諾元件

結構形式

盤形元件；

中心與外圓周邊裝有電流電極。

原理：

電流在兩個電極間流動；

載流子的運動路徑因磁場發(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強度下的電阻變化率來表示，即磁場——電阻特性的斜率。常用K表示，單位為mV/mA.kG即Ω.Kg。在運算時常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應強度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。

磁場——電阻特性

磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關，它只隨磁場強度的增加而增加如圖(a)。在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化如圖 (b)。

強磁磁阻元件電阻——磁場特性曲線

從圖中可以看出它與磁阻元件曲線相反，即隨著磁場的增加，電阻值減少。并且在磁通密度達數(shù)十到數(shù)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，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：

圖中分別給出了采用恒流、恒壓供電方式時的溫度特性。采用恒流供電時，可以獲得–500ppm/℃的良好溫度特性，而采用恒壓供電時卻高達3500ppm/℃。但是由于強磁磁阻元件為開關方式工作，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(qū)；較長的本征區(qū)I稱為長基區(qū)二極管，I的一面磨成光滑的；另一面用擴散雜質或噴砂法制成高復合區(qū)（稱為r區(qū)），使電子-空穴對易于在粗糙表面復合而消失。施加正偏壓時p+-I結向本征區(qū)I注入空穴，n+-I結向本征區(qū)I注入電子，又稱為雙注入長二極管。

工作原理

圖(a)無磁場，施加正偏壓有大量的空穴從p+區(qū)通過I進入n+區(qū)，大量的電子從n+區(qū)通過I進入p+區(qū)，形成電流。I區(qū)只有少量的電子和空穴被復合掉。

圖(b)當受磁場B+（正向）時，電子和空穴受到FL向r區(qū)偏轉，在r區(qū)復合使I區(qū)電流減小、電阻增大，I區(qū)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(wěn)定值為止。

圖(c)當受磁場B-（反向）時，n+-I和p+-I結上壓降增大，使注入載流子增加、電流進一步增大，直至電流達到飽和止。

正向電壓下，加正向磁場和反向磁場時，PIN管的正向電流發(fā)生了很大的變化，且磁場的大小不同，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系

Ge磁敏二極管的伏安特性曲線，輸出電壓一定，磁場正向時隨磁場增大電流減?。淮艌鲐撓驎r隨磁場負方向增加電流增加；同一磁場下電壓越大，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(qū)熱平衡載流子較少，注入I區(qū)的載流子在未填滿復合中心前不會產生較大的電流，只有填滿后電流才開始急增，同時I區(qū)壓降減小，呈現(xiàn)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的關系。常有單只使用和互補使用兩種方式。單只使用時正向磁靈敏度大于反向?；パa使用時正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。

單個使用時

互補使用時

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；在射極和長基區(qū)間的一個側面制成一高復合區(qū)r。

工作原理

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

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

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

圖(c)：反向磁場(B-)作用時，載流子受FL作用向集區(qū)一側偏轉，使IC增大，基區(qū)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

較弱磁場時，Ic與B是線形關系

3、溫度特性

3ACM 3BCM 磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8%∕℃

3CCM磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6%∕℃

4、頻率特性

磁場交變

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：將被測點的絕對位置直接轉換為二進制的數(shù)字編碼輸出。中途斷電，重新上電后也能讀出當前位置的數(shù)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(shù)字形式輸出，然后用計數(shù)器計取脈沖數(shù)。需要規(guī)定脈沖當量（一個脈沖所代表的被測物理量的值）和零位標志（測量的起始點標志）。中途斷電無法得知運動部件的絕對位置。

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

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(γ-Fe2O3)，并被磁化成具有偶數(shù)個長度為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個檢測增量信號的磁阻元件，4個用于零道信號檢測的磁阻元件。

磁鼓旋轉時，磁場周期性地變化，磁阻也周期性地變化，且每個磁場周期對應兩個磁阻變化周期，具有倍頻特性。

渦流傳感器

在一個磁棒上繞一組線圈，工作時加上震蕩頻率為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，震蕩線圈產生的交變磁場作用于導體，被測導體表面會產生與激勵磁場相交鏈的渦流，此渦流又產生一交變磁場反作用于線圈，以阻礙激勵磁場的變化；同時被測導體表面流動的電渦流產生熱量消耗，使激勵線圈的電感量L、阻抗Z、品質因數(shù)Q發(fā)生變化；因此可以利用線圈這些參數(shù)的變化，把被測導體的參數(shù)變換成電學量來測量。在線圈兩端并聯(lián)一個電容組成諧振電路，沒有金屬導體時的諧振頻率為f0，檢測到導體時諧振頻率偏離，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。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表示探測儀與被測物體的距離。

另外，以磁性材料為主開發(fā)出很多磁性傳感器，已經實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關、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，在實現(xiàn)自動化高精密控制方面具有廣闊的應用前景。