磁场传感器介绍

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。


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。
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
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。


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”.


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 magnetoimpedance）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。


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，这就是磁致来自百度文库阻 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，
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。