磁敏传感器总结

磁敏传感器总结

磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的传感器件。磁敏传感器一般被用来检测磁场的存在、变化、方向以及磁场强弱，以及可引起的磁场变化物理量。目前的传感器的品种很多，例如霍尔器件，磁敏二极管、三极管，半导体型磁敏电阻器件，以及AMR、GMR磁敏传感器，GMI（巨磁阻抗）传感器等。磁敏传感器的理论基础是霍尔效应或磁阻效应

1. 霍尔效应

在霍尔片（霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成，霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。）的两端通以控制电流I，在它的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在霍尔片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势（霍尔电势或称霍尔电压）。霍尔电势UH，其大小可用下式表示：

式中：——霍尔常数（m3／C）

I——控制电流

B——磁感应强度

d——霍尔元件厚度

令：

为霍尔元件的灵敏度。它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。

建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12～10-14s），因此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）。

2. 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。这种现象称为磁致电阻效应

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：

式中

B——磁感应强度

µ——电子迁移率

——零磁场下的电阻率

——磁场强度为B时的电阻率

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。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

3.霍尔元件

霍尔元件可分为霍尔开关器件和霍尔线性器件。应用霍尔传感器制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。

在实际应用中，霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作，其特性不一样。恒压工作比恒流工作的性能要差些，只适用于对精度要求不太高的地方，在恒压条件下性能不好的主要原因为霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。在恒流工作下，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响，但是恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差些。究竟应用采用哪种方式，要根据用途来选择。

霍尔元件的误差主要有不等位电势、温度误差。由于在制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，因此当控制电流I 流过元件时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。不等位电势是一个主要的零位误差。

由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化，因此霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）对温度的变化也是很灵敏的。

利用霍耳传感器制作的仪器优点：

(1) 体积小，结构简单、坚固耐用。

(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。

(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。

(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。

(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。

霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。

4. 磁阻元件的特性

（1）灵敏度特性

磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场——电阻特性的斜率。常用K表示，在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应

强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。

（2）电阻特性

磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加。

在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化

（3）温度特性

半导体磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。

5. 其它新型磁敏传感器

5.1 GMR巨磁电阻效应

用Fe/Cr，Fe/Ag等纳米人工超晶格多层膜的电阻在磁场内有大幅度的改变，因其变化幅度比别的物质大的多故称其为巨磁效应。GMR薄层由磁性薄层和非磁性薄层交替制成。没有外加磁场的时候，上层自旋电子散射到与下层的交接点，下层自旋电子散射到与上层的交界点，电子的平均自由程很短，电子的运动困难，因此材料具有相对高的电阻率。如果外加磁场足够大，能克服两个磁层之间的抗磁耦合，两个薄层的电子便做相对的自旋，电子容易在两个薄层间移动，电子的平均自由程较长，电阻率下降。不同于异性磁阻效应，GMR采用多层膜结构实现的巨磁效应与外磁场的方向无关。

5.2巨磁阻抗效应

巨磁阻抗效应是指非晶材料通以高频电流时，材料的两端阻抗随外磁场变化而发生非常灵敏变化的现象。

5.3质子旋进式磁敏传感器

物理学已证明物质是具有磁性的，当有外磁场存在的情况下，物质分子磁矩在外磁场作用下以一定的频率绕外磁场旋进。通过测量分子旋转频率来探测外磁场大小。

用质子旋进式磁敏传感器测量外磁场的主要优点是：

◆精度高，一般在（0.1~10）nT范围内；

◆稳定性好（因γp是一常数，其值只与质子本身有关，它的值与外

界温度、压力、湿度等因素均无关）；

◆工作速度快，可直读外磁场nT 值；

◆绝对值测量

其缺点是：

极化功率大,只能进行快速点测；感应信号的衰减和外磁场梯度的大

小有关，受磁场梯度影响较大

5.4 光泵式磁敏传感器

光泵式磁敏传感器是以某些元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的。塞曼效应是指在外磁场中原子能级产生分裂的现象。

它同质子旋进式磁力仪相比有以下特点：

（1）灵敏度高,一般为0.01nT量级,理论灵敏度高达10-2~10-

4nT（2）响应频率高，可在快速变化中进行测量

（3）可测量磁场的总向量T及其分量，并能进行连续测量磁通门式传感器

目标检测：通过磁场变化和磁场强度。