第四章 磁敏传感器ppt课件.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，先让我们回顾一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(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

2、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F=e(E+v×B)=eE+evB该式表示运动电荷e在电场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(洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力，它由荷兰物理学家H·A·洛伦兹首先提出)。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

3、的电路中将产生的电动势为以上这些公式是检测磁学量所依据的基本公式。　　磁感应强度B和磁场强度H均为表征磁场强弱和方向的物理量。　　磁感应强度B是一个基本物理量，是垂直穿过单位面积的磁力线的数量。磁感应强度可通过仪器直接测量。磁感应强度也称磁通密度，或简称磁密，其单位是韦伯/平方米(Wb/m2)或特斯拉(t)。　磁场强度H是作用于磁路单位长度上的磁通势。磁场传播需经过介质(包括真空)，介质因磁化也会产生磁场，这部分磁场与源磁场叠加后产生另一磁场。为了描述源磁场的特性及方便数学推导，引入

4、一个与介质无关的物理量H，H=B/m0－M，式中，μ0为真空磁导率，M为介质磁化强度。磁场强度的单位是安/米(A/m)。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，则在薄片的另两侧会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH(霍尔电势，也称霍尔电压)。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

5、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rB=r0(1+0.273m2B2)　　设电阻率的变化为Dr=rB－r0，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

6、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：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。　　人类对自然界的探索和认识是无止境的，还有许许多多新的现象、新的效应有待我们去研究、去发现。霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔最初研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。101年以后，即1980年，克里津从金属-氧化物半导体场效应电晶体中发现了量子霍尔效应。因发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术，德国物理学家冯·克里津获得了198

7、5年诺贝尔物理学奖。4.2　霍尔元件4.2.1　霍尔元件的工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应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，其中e为电子电量，v为电子速度，B为磁感应强度)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

8、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：令(4.1)(4.2)KH称为霍尔元件的灵敏度，于是UH=KHIB(4.3)由式(4.3)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的输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。