母板-信息工程学院.ppt

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1、第4章磁敏传感器4.1磁敏传感器的物理基础——霍尔、磁阻、形状效应4.2霍尔元件4.3磁阻元件4.4磁敏二极管4.5磁敏三极管4.6磁敏传感器的应用思考题与习题4.1磁敏传感器的物理基础——霍尔、磁阻、形状效应4.1.1基础知识在了解和学习磁敏传感器之前,先让我们回顾以下磁现象及其有关公式。磁现象和电现象不同,它的特点之一是磁荷(MagneticCharge)不能单独存在,必须是N、S成对存在(而电荷则不然,正电荷和负电荷可以单独存在),并且在闭区间表面全部磁束(磁力线)的进出总和必等于零,即divB=0。磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由公式表示为

2、该式表示运动电荷e从电场E受到的力和磁场(磁感应强度B)存在时电流ev(v为电荷速度)所受到的力,其中第二项称为洛伦兹力。与这个洛伦兹力相抗衡而产生的相反方向的电动势就是后面我们将要介绍的霍尔电压。电感L、电流I与它们产生的磁束Φ之间的关系可表示为Φ=LI当磁束有变化时,在与其相交的电路中将产生的电动势为4.1.2霍尔效应有一如图4.1所示的半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH(霍尔电势或称霍尔电压)。这种现象就称为霍尔效应。图4.1霍尔效应原理图

3、物理现象观察霍尔效应4.1.3磁阻效应将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况,理论推出磁阻效应的表达式为ρB=ρ0(1+0.273μ2B2)式中:B——磁感应强度;μ——电子迁移率;ρ0——零磁场下的电阻率;ρB——磁感应强度为B时的电阻率。设电阻率的变化为Δρ=ρB-ρ0,则电阻率的相对变化为由上式可见,磁场一定,迁移率高的材料

4、磁阻效应明显。InSb和InAs等半导体的载流子迁移率都很高,很适合制作各种磁敏电阻元件。4.1.4形状效应磁阻的大小除了与材料有关外,还和磁敏元件的几何形状有关。在考虑到形状的影响时,电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示:式中:f(l/b)为形状效应系数;l为磁敏元件的长度;b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象,叫形状效应。4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图4.1所示,假设在N型半导体薄片

5、上通以电流I,那么,半导体中的载流子(电子)将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B,则由于洛伦兹力fL(fL=evB。e:电子电量;v:电子速度;B:磁感应强度)的作用,电子向一边偏转(图中虚线方向),并使该边形成电子积累,而另一边则积累正电荷,于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转,当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUH/l)与洛伦兹力fL相等时,电子的积累便达到动态平衡。这时,在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势就称为霍尔电势UH,其大小可用下式表示:(4.1)式中:RH——霍尔常数(米3

6、/库仑,即m3/C);I——控制电流(安培,即A);B——磁感应强度(特斯拉,即T);d——霍尔元件厚度(米,即m)。令(伏·米2/(安·韦伯),即V·m2/(A·Wb))(4.2)KH称为霍尔元件的灵敏度。于是UH=KHIB(4.3)由上式可知,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数,一般要求它越大越好。KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体(尤其是N型半导体)的霍尔常数RH要比金属的大得多,所以在实际应用中,一般都采用N型半导体材料做

7、霍尔元件。元件的厚度d对灵敏度的影响也很大,元件越薄,灵敏度就越高。由式(4.3)可见,当控制电流的方向或磁场的方向改变时,输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势极性不变。需要指出的是,在上述公式中,施加在霍尔元件上的磁感应强度为B的磁场是垂直于薄片的,即磁感应强度B的方向和霍尔元件的平面法线是一致的。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度θ时,作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量(即Bcosθ),这时,UH=KHIBcosθ。4.2.2霍尔元件结构霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,一

8、般采用N型的锗、锑化铟和

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