磁敏传感器介绍

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

2. 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。

3. 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-inductive 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。

4. 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μr≈1，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。

5. 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，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，并将霍尔片做的尽可能薄，让作用区中的电子浓度尽可能低。

6. 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。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”.

7. 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。 • 在B<B0时，ΔR/ΔB很小，即灵敏度低，大于这个值后，ΔR/ΔB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，

8. 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。

9. 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ID1≠ID2，ID1增大多少，ID2就减小多少，ID1-ID和外加磁场成比例，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

10. 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γ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。

11. 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、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。

12. 三、半导体磁传感器的特点 • 半导体磁传感器的优势在于，它们的制造技术和微电子集成电路技术兼容，可以量产，大幅降低了生产成本；输出信号可供计算机和各种仪器设备直接使用，非常方便；抗蚀性强，磁场对器件的作用不受使用环境中的光线、尘埃、油污、盐雾及其它化学气氛的影响；结构牢固、耐震动、耐冲击和寿命长。 • 霍尔器件结构简单，性能优良，能检测从10-7T~25T的磁场，有效工作容积小（可达1mm´1mm´1mm），空间分辨率和时间分辩率极高。它们的工作频率高，可达1MHz，频带很宽，可检测从恒定磁场到1MHz的交变磁场；线性度也很好，可达0.1%；且稳定性良好，可靠性高，可在地面、海上、天空、空间和科学研究的各种严酷的环境中工作。因此，在它出现、成长和日臻完善的这几十年中，质量、品种、产量都急速地上升，居于包括各种半导体磁场传感器在内的各种磁场传感器使用数量的首位，全世界对它的需求量达10亿只/年以上。但是，许多高精度应用对它们提出了越来越高的要求，如更高的灵敏度，更低的失调电压（Offset Voltage） • 磁敏二极管的灵敏度，可比霍尔器件高上1000倍，但它的输入和输出是非线性的，且需注入比10mA大得多的电流。它们相当于一个非线性的磁敏电阻，而且，性能受温度变化的影响非常明显。

13. 四、不断改进和完善的霍尔器件 • 在过去20年，霍尔器件已在磁场测量、物体运动参量(速度、转速、位置、位移等)的检测、无触点开关、电流传感和磁记录信息的复现(尤其是垂直记录)等各个领域得到了愈来愈广泛的应用。而且，据预测，在今后二十年中，它们仍将在这些应用中起主导作用，因而吸引了许多专家、学者对它们尚存的不足进行了大量的改进研究。这些改进主要围绕提高灵敏度、降低失调电压、改善温度特性几个方面进行。 • 霍尔器件绝对灵敏度S的定义为： • S=（V/T）(3) • 式中：VH—霍尔电压； • BZ—Z向磁场强度。 • 在电流驱动条件下，相对电流灵敏度SI为： • SI= = ≈（V/A×T）(4) • 式中： rH—散射因子，大于1； • G—几何因子，小于1。 • 电压驱动时，电压相对灵敏度Sv为： • Sv= =mn G≈mn（/T）(5) • 可见，欲提高器件的灵敏度，必须降低敏感作用区中的载流子浓度，减少厚度和提高载流子的迁移率。由于电子迁移率mn 比空穴迁移率高，故一般采用n 型半导体材料。

14. 在1978和1982年，有人先后用调制掺杂分子束外延生长的AlGaAs/GaAs和InGaAs/GaAs异质结构半导体来制作高频器件，例如，高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)等。因为这些材料的异质结构界面上形成了厚度约1Onm的两维电子气（2DEG）层，具有很高的电子迁移率，薄层中的自由电子被限制在位阱或量子阱中，电子浓度相当低，为1011/cm3量级，这些特点都非常适合制作高灵敏度霍尔器件的要求，因而吸引了越来越多的磁传感器研究人员的注意。图16是其中一种的结构示意图，用这类材料制成霍尔器件，得到的灵敏度不仅高于普通GaAs器件的，甚至比市售的Insb的还高。它们的热稳定性可接近GaAs器件，而且失调电压也有降低。有的还获得了极为优异的弱磁场检测能力，可检测低到10-11T的磁场，将霍尔器件能检测的最低磁场向低端扩展了四个数量级。这类材料有的已达到工业级生产的水平，成本也大大降低。 [

15. 五、半导体磁场传感器的发展方向 • 将半导体材料和其它材料结合起来，利用其它磁电转换效应来制作组合磁传感器，可能是半导体磁场传感器获得更新、更大发展的新途径。 • 利用硅材料的优良的机械特性，例如弹性和抗疲劳性，使用近年来发展起来的MEMS技术，制作出各种形式的悬臂梁。在梁平面上制作平面线圈，将正弦电流通入线圈，在外磁场作用下（实际上仍是外磁场对线圈中的电流的洛仑兹力作用），若电流的频率和梁的机械固有振荡频率一致，梁将产生机械共振，其振幅与外磁场成比例。用压阻计或电容传感来检测振幅，这类磁场传感器可检测nT级的磁场. • 用分子束处延技术制成Fe/InAs(graded)/GaAs系统，可以得到体心立方(bcc)铁与半导体之间良好的欧姆接触，用它可制成如图20所示的自旋极化场效应晶体管(spin-polarized-FET)。用一个外磁场就可控制两个尺寸不同的铁和半导体触点中的电子自旋方向，改变它们的电阻值，从而改变管子的伏安特性见图20。[51] • 将n型Si （100）晶片与(Co/Cu)4多层膜结合，用半导体作发射和收集极，多层金属膜作基极，可制成自旋阀晶体管。外磁场控制多层膜中Co层的磁化方向，改变Co层间的磁耦合性质，可改变磁电阻的阻值。在一定的条件下，这种晶体管可得到比普通多层膜高130倍的磁致电阻变化。 • 将利用其它电磁变换原理的各种磁传感器的制作工艺和半导体微电子电路工艺结合起来，制成各种集成传感器，已经引起了半导体磁场传感器研究人员的密切关注。目前，金属膜磁致电阻、多层金属膜自旋阀磁致电阻、巨磁阻抗器件、磁通门等都已出现了全集成的样品，将传感头和信号处理电路集成在同一个芯片上。核磁共振、电子自旋谐振等磁强计已经实现了混合集成。使各种类型的磁传感器都实现集成化，并情形半导体融为一体，已经指日可待。到那时，不仅实现了磁传感器的微型化，还会实现系统化，将各种保障电路，例如调整、保护电路、自校准电路、自调整、自补偿电路等集成在一起，成为智能磁传感器。 • 随着科学技术的不断发展，半导体磁场传感器定会走向更辉煌的明天。

16. 近年来，用磁场传感器来检测电流，已经使用得相当广泛。因为载流导体周围感生的磁场的磁感强度和导体中流过的电流的电流强度成正比。原则上，一切磁场传感器都可用来检测电流，用作电流传感器。但是，在许多情况下，要求不将检测仪表接入被测回路，实现"无电位检测"，而且，还常将电流传感器用来作为控制电路的一个采集和反馈信息的重要环节，对电流传感器的设计提出许多特殊要求。迄今，我们已见到约二十种不同工作原理的以磁场传感为基础的电流传感器，可检测的电流从10-12A到GA。是磁传感器中一种发展得极快的重要分支。其中，霍尔电流传感器使用最为广泛，国内外已有许多厂家生产，南京中旭微电子有限公司有从mA到kA的系列产品供应。目前，出现了许多新型的电流传感器，例如利用非晶磁性合金的高导磁特性和磁调制原理相结合的电流传感器，电子自旋共振电流传感器，无磁芯电流传感器，检测矫顽场的变化来测电流的电流传感器等等。但是有专家预言，在今后二十年，霍尔器件在电流传感中仍要占主导地位。近年来，用磁场传感器来检测电流，已经使用得相当广泛。因为载流导体周围感生的磁场的磁感强度和导体中流过的电流的电流强度成正比。原则上，一切磁场传感器都可用来检测电流，用作电流传感器。但是，在许多情况下，要求不将检测仪表接入被测回路，实现"无电位检测"，而且，还常将电流传感器用来作为控制电路的一个采集和反馈信息的重要环节，对电流传感器的设计提出许多特殊要求。迄今，我们已见到约二十种不同工作原理的以磁场传感为基础的电流传感器，可检测的电流从10-12A到GA。是磁传感器中一种发展得极快的重要分支。其中，霍尔电流传感器使用最为广泛，国内外已有许多厂家生产，南京中旭微电子有限公司有从mA到kA的系列产品供应。目前，出现了许多新型的电流传感器，例如利用非晶磁性合金的高导磁特性和磁调制原理相结合的电流传感器，电子自旋共振电流传感器，无磁芯电流传感器，检测矫顽场的变化来测电流的电流传感器等等。但是有专家预言，在今后二十年，霍尔器件在电流传感中仍要占主导地位。

17. 美国Crossbow公司CXCOMPASS方位传感器 • CXC100和CXC150方位传感器利用一个三轴磁力计来探测地球磁场。该系列传感器用三轴加速度计作为重力场基准，从而连续计算出方位角（全方位）。传感器采用了Soft SensorTM结构方式，以补偿温度漂移误差和其他方面的误差。该系列传感器的工作温度达125℃， • 可应用于油井测量和钻井测量。 • CXC100型传感器有一个小型化的正方体封装外壳（0.75″×0.75″×4.6″）。其外壳带有圆角过渡，使之可以装入1″的套管中。该传感器通过RS232进行通信，数据格式为ASCII或高速二进制格式。传输速率为9 600波特。 • CXC150 是专为钻井测量（小半径测量）方面的应用而设计的。工作温度达125℃且坚固耐用。CXC150具有一个可供选择的A/D输入以及一个计数器输入（γ射线探测器及其他传感器）。该传感器的输出为TTL电平，传输速率为9 600波特。 • CXC100和CXC150均在精密转台和磁场定位装置上进行过标度因数、零位偏值的误差的标定。