新型传感器原理及应用 读书报告.docx

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新型传感器读书报告

1、磁传感器

（一）霍尔传感器

霍尔效应：

当输入端加电流I，并在元件平面法线方向加磁感强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生一电UH，这个电势就是霍尔电势，这种现象就是霍尔效应。

通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。

霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。

这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。

霍尔器件分为:

霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。

后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。

霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

锑化铟（InSb）和GaAs（砷化镓）霍尔元件输出特性见图

（二）霍尔电路霍尔线性电路

它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。

其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于下图：

除上述各种霍尔器件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等待。

（三）霍尔式传感器的应用霍尔转速表

在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。

齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测

物的转速。

2、磁敏二极管

（一）磁敏二极管的工作原理

1.磁敏二极管的结构

磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I。

本征区I的一面磨成光滑的无复合表面（为I区），另一面打毛，设置成高复合区（为r区），因为电子—空穴对易于在粗糙表面复合而消失。

2.磁敏二极管的工作原理

当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压后，则有大量的空穴从

P区通过I区进入N区，同时也有大量电子注入P区，形成电流。

只有少量电子和空穴在I区复合掉。

当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因复合速度而减小。

当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向I区偏移，由于电子和空穴复合率明显变小，因此，电流变大。

利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转

换。

（二）磁敏二极管的应用

（1）磁场测量。

用磁敏二极管制成磁通计，可以测量小于10-6~10-7T的弱磁场，例如测量变压器漏磁分布、阴极射线管偏转磁场分布等等。

磁敏二极管的出现使磁力探伤仪测量探头进入实用阶段，实现了导磁材料探伤自动化。

用磁敏二极管还可制成磁电指向仪、磁力探矿仪和地磁测量仪。

（2）电流检测。

磁敏二极管可以用于钳形电流计来测量大电流，还可用于电动机过载保护装置，当电流超过额定值时，切断电源，防止线包烧毁。

（3）位移检测。

通过磁铁和磁敏二极管的相对距离变化，使得加在磁

敏二极管上的磁场强度发生变化从而测量位移。

因此距离、转速、振动以及能转

换成上述量的物理量均可用同样的方法无接触地检测。

用磁敏二极管比用线圈可使整个测量系统简单、方便。

3、磁敏三极管

磁敏三极管是在双注入长基区二极管的基础上制成的一种结型磁敏晶体

管。

（一）磁敏三极管的结构原理

磁敏三极管分为锗磁敏三极管（如3BCM型）和硅磁敏三极管（如3CCM型）两种。

它是在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射区、基区和集电区，和普通三极管一样也引出三个电极，用e、b、c表示。

下图为NPN型磁敏三极管的结构和符号

像磁敏二极管一样，在长基区的一个侧面制成高复合区r。

长基区分为运输基区和复合基区。

复合区的体积比从发射极到集电极的运输区的体积大得多。

当不受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子大部分通过e—i—b形成基极电流Ib，少部分载流子被传输到集电极c形成集电极电流Ic。

因而形成了基极电流大于集电极电流的情况，使电流放大系数β

=Ic/Ib<1，如图所示：

当受到正向磁场B+作用时，由于磁场力的作用，载流子偏向高复合区r一侧，增大了载流子的复合速率，使集电极电流Ic减小，如图（b）所示。

当反向磁场B-作用时，在磁场力的作用下，载流子向集电极c一侧偏转，载流子的复合速率减小，使集电极电流Ic增大，如图（c）所示。

由上述分析可知，磁敏三极管的集电极电流Ic随着外界磁场的变化而变化，

具有较高的磁灵敏度。

（二） 主要特性

（1）磁电特性。

磁敏三极管的磁电特性是其应用的基础，在弱磁场作用下接近于一条直线，即集电极电流的变化随磁感应强度近似为线性关系。

（2）伏安特性。

磁敏三极管的伏安特性与普通三极管的伏安特性相似，但电流放大倍数β<1。

图为其伏安特性曲线。

（3）温度特性。

磁敏三极管受温度影响较大，使用时必须进行温度补偿。

硅磁敏三极管的温度系数为负、锗为正，因此可采用相反温度系数的普通三极管或磁敏二极管及电阻进行补偿。

一般来讲。

凡是应用霍尔元件、磁敏二极管的场合均可用磁敏三极管代替。

但磁敏三极管的灵敏度比二极管大几倍至十几倍，其工作电压也较宽，由于磁灵敏度高，因此可以用来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量，也可用于磁力

探伤、接近开关、位置控制、速度测量和各种工业过程自动控制等技术领域。

3、集成传感器

集成传感器将敏感元件、信号调理电路（如放大器、滤波电路、整形电路、运算电路）、补偿电路、控制电路（如地址选择、移位寄存电路）或电源（如稳压源、恒流源）等制作在同一芯片上，使传感器具有很高的性能。

集成传感器具有抗环境干扰和电源波动的能力强、体积小、可靠性高、易于同外部电路简单连

接、无需外接变换电路的优点。

（一）集成磁敏传感器

分类：

按工作原理 1）根据法拉第电磁感应原理制成的结构型传感器。

这种结构型磁传感器只能检测到磁通或磁场的变化率，不能检测磁通或磁强自身量，而且难以小型化。

2）利用导体或半导体的磁电转换特性，将磁场信息变换成相

应的电信息的物性型磁传感器，物性型传感器既能检测直流磁场，又能检测交流磁场，而且灵敏度高、可靠性好。

按输出功能1）开关型 2）线性型

按工作机构和工艺 1）双极型 2）MOS型

（二）开关型集成磁敏传感器

基本构成

霍尔元件：

在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。

差分放大器：

将VH放大，以便驱动后一级整形电路。

整形电路：

施密特触发器把放大器输出整形为矩形脉冲。

输出管：

由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。

电源电路：

包括稳压和恒流，用以改善集成磁敏传感器的温度性能，提高集

成磁敏传感器工作电源电压的适用范围。

（三）开关型集成磁敏传感器特性

磁特性

导通磁感应强度B（HL）是指开关型集成磁敏传感器输出状态由高电平向

低电平翻转，实现由“关”态到“开“态动作所必须的作用于霍尔元件的磁感应强度。

一般B（HL）值为0.035T～0.075T。

截止磁感应强度B（LH）是指开关型集成磁敏传感器输出状态由低电平向高电平翻转，实现由“开“态到“关“态动作所必须的作用于霍尔元件的磁感应强度。

在参数表给出的B（LH）值一般指它的最小值。

磁感应强度滞环宽度B有时也称为磁滞滞环或滞后宽度。

这个参数指的是

导通磁感应强度与截止磁感应强度的差值，即B=B（HL）-B（LH）。

电特性

输出高电平VOH：

输出端开路时的电平就是电源电压E，输出端接负载电阻

RL时，才有输出信号。

当输出管截止时，通过负载电阻RL的只是它的漏电流IOH，输出端高电平VOH为：

VOH=E−lOHRL≈E

输出低电平VOH：

在B=7.5×10-2T、负载电流IO＝12mA条件下测试；主要

决定于输出管的饱和压降，其规范值为VOLmax＝0.4V。

负载电流IOL：

在满足输出低电平VOL＜0.4V的条件下，输出管的集电极电流，其规范值为IOL=12mA。

CS型开关型集成磁敏传感器的最大负载电流为20mA。

温度特性

导通磁感应强度B（H L）、截止磁感应强度B（L H）和滞环宽度B随温度而变化的特性。

由左图可看出，导通磁感应强度的温度系数约为（1.5~2）×10-4T/OC，是正温度系数。

从B（H→L）与B（L→H）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为-0.2%~-0.3%OC，是负温度系数。

由右图给出的CS型开关型集成磁敏传感器两个磁特性参数随电源电压E的变化曲线。

从图中可以看出，B（H→L）与B（L→H）参数在电源电压E<6V时，随电源电压减小而增加，但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电

压E＞8V时，这三个参数基本上变化不大。

4、传感器加工工艺

激光微细加工当中的激光退火

所谓激光退火，就是用功率密度很高的激光束照射半导体表面，使其损伤区

（如离子注入掺杂或中子嬗变掺杂时造成的损伤）达到合适的温度，从而达到消除损伤的目的。

激光退火克服了常规的热退火的缺点，诸如热退火后遗留的二次缺陷对半导体的电特性影响仍然很大，虽然热退火后迁移率可以恢复，但少数载流子扩散长度并不能恢复。

激光退火分为脉冲激光退火和连续波（CW）激光退火

两种。

（一）激光退火方式

半导体激光退火使用的光谱波长范围很宽，从UV（紫外）到IR（红外）波段的激光器都有。

工作方式也多种多样，有纳秒级单脉冲激光退火，毫秒级单脉冲激光

退火，高频率Q开关脉冲激光退火，连接波激光扫描退火等。

无论哪一种工作方式的激光退火，都存在能量密度的阈值特性。

对于特定的材料各有其退火发生再结晶所需的特定能量密度，即阈值。

阈值的下限WR就是该种材料发生再结晶所需的最低能量密度。

阈值的上限WD是该种材料在激光作用下，发生损伤的起始能量密度。

产生退火效应的激光能量密度应在高于WR，低于WD的范围内选择。

传统的炉子加热退火，即使在高达1150℃下退火，仍不能彻底消除结晶缺陷。

激光退火则能比较彻底地消除缺陷。

特别是纳秒级脉冲激光退火的效果最佳。

连续波激光退火则适用于大面积处理，在50-600kW/cm^2功率密度下退火，能

将非晶层转变成为单晶结构，但可能残存少量缺陷。

基本原理

掺杂半导体材料在脉宽大于1ps时，激光束照射的物理过程主要是热作用。

晶格在皮秒级时间内经过电光耦合而被加热，使沿激光束穿过的路径上的晶体局部熔化。

当晶格中原子离开它们的平衡位置的平均偏移量达到晶胞尺寸a^2的

0.25倍时，就会发生固相向液相的转变。

（二）激光退火和传统热退火相比较，具有以下优点。

1、结晶速度高，约为1m/s，能比较彻底地消除缺陷，退火组织结构质量高，掺杂层的电活性高，掺杂浓度可超过溶解极限一个数量级，便于大幅度调节电性能。

2、三维定域退火