傳感器與檢測技術(shù)09章磁敏

1、第第9章章 磁敏式傳感器磁敏式傳感器9.1 霍爾傳感器9.2 磁敏電阻9.3 磁敏二級管和磁敏三極管9.1 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器1.磁敏傳感器，顧名思義就是感知磁性物體的存在或者磁性強度(在有效范圍內(nèi))。 這些磁性材料除永磁體外，還包括順磁材料(鐵、鈷、 鎳及其它們的合金)當然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場。2.目前半導體磁電傳感器，主要有霍爾效應傳感器（Halleffect sensor）、磁敏電阻器（Semiconductive magnetoresistor）、磁敏二極管（Magnetodiode）、磁敏三極管。 主要材料有銻化銦、砷化銦、鍺和硅等。3.霍爾效應

2、在半導體霍耳片的長度方向通入控制電流I，在平面法線方向外加磁場B，于是電子在磁場中受洛倫茲力，而向?qū)挾确较蚱?，因此在霍耳片兩?cè)分別積累正負電荷并沿寬度方向產(chǎn)生霍耳電場。這一電場對電子產(chǎn)生的力阻止電子偏移。當電場力E與洛倫茲力L相平衡時，霍耳輸出端電荷積累達到平衡,這就是霍耳效應。（美國物理學家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的）電場力洛倫茲力；:ELff霍爾電極控制電極dHU：霍爾元件的靈敏度霍爾系數(shù)；dRKRIBKdIBRUHHHHHH:coscos4.霍爾元件材料 （1）鍺(Ge)，N型及P型均可。 （2）硅(Si)N型及P型均可。（3）砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似

3、。6.霍爾元件的主要技術(shù)指標霍爾元件的主要技術(shù)指標額定激勵電流IH 使霍爾元件溫升10所施加的控制電流值稱為額定激勵電流。通常用IH表示。輸入電阻Ri 它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(205)的環(huán)境溫度中測取。 輸出電阻Rs 它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(205)的條件下測取。不等位電勢及零位電阻r0 當霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場時，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢(或零位電勢)。 寄生直流電勢 當不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電勢為直流與交流電勢之和。其中的交流霍爾電勢與前述零位電勢相對應，而直流霍爾電勢是個

4、寄生量，稱為寄生直流電勢V。熱阻RQ 它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時產(chǎn)生的溫升，單位為CmW。所以稱它為熱阻是因為這個溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。5.霍爾元件的測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖所示。激勵電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢悾活悶殚_關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件，產(chǎn)量前者大于后者?；魻柶骷捻憫俣却蠹s在1us 量級。一般采用恒流供電法。7.霍爾元件的補償電路不等位電勢及霍爾元件的等效電路7.霍爾元件的補償電路（1）不等位

5、電勢的補償（2）溫度補償 分流電阻法 電橋補償法測量電路 采用分流電阻法的溫度補償電路橋路補償法的溫度補償電路電路輸出Uo為C點和D點的電勢之差，C點的輸出為（UcUf），同理，D點的輸出為（UdUf）；當溫度上升，霍爾傳感器輸出變小，要保持輸出Uo不變，需要Uc變小，對左邊的直流電橋，R1和R2的分壓不變，R3因為熱敏電阻Rt變大而增加，Uf上升，C點輸出（UcUf）變小，實現(xiàn)維持Uo不變。8.使用霍爾(HALL)器件的幾個注意事項 在硅集成霍爾器件的應用中，要注意下列事項： 一、在測試及焊接過程中的注意事項防止靜電燒毀按照靜電的大小，可分為三類：1、第一類是所用的元器件，對靜電損傷最敏感，

6、其靜電電壓在0-1000 伏之間，就會損壞器件。2、第二類是所用的元器件，對靜電放電敏感，其靜電電壓為1000-4000 伏之間，在這一電壓下，會損壞器件。3、第三類是所用的元器件，對靜電放電不敏感，其靜電電壓高到4000-15000 伏，才損壞器件。 硅集成半導體霍爾開關(guān)及線性電路是屬于第一類的元器件，因此很容易受靜電的損壞。它在出廠時用金屬紙袋包封，或是用去靜電的塑料袋包封，以防止靜電的損傷。但在運輸過程中，由于摩擦，包裝表面也會產(chǎn)生靜電，為了防止靜電損壞器件，要求在啟封以后，嚴格導循下列程序：（一）防止靜電燒毀 （二）測試過程中，對測試設備及測試方法的要求： （三）霍爾電路的焊接 二、在

7、電路裝配及使用過程中的注意事項防止高壓電脈沖的燒毀 三、在電路接口上的注意事項防止大電流燒毀 9.霍爾式傳感器的應用舉例（1）高斯計（2）電流計（3）轉(zhuǎn)速計（4）霍爾式位移傳感器（5）霍爾式壓力傳感器（1）高斯計 如圖所示，將霍爾元件垂直置于磁場B中，輸入恒定的控制電流I，則霍爾輸出電壓UH 正比于磁感應強度B，此方法可以測量恒定或交變磁場的高斯數(shù)。（2）電流計 如圖將霍爾元件垂直置于磁環(huán)開口氣隙中，讓載流導體穿過磁環(huán)，由于磁環(huán)氣隙的磁感應強度B與待測電流I成正比，當霍爾元件控制電流IH 一定時，霍爾輸出電壓UH 則正比于待測電流I，這種非接觸檢測安全簡便，適用于高壓線電流檢測。（3）轉(zhuǎn)速計

8、如圖所示，將霍爾元件放在旋轉(zhuǎn)盤的下邊，讓轉(zhuǎn)盤上磁鐵形成的磁力線垂直穿過霍爾元件；當控制電流I一定時，霍爾輸出電壓UH決定于磁鐵的磁場。（4）霍爾式位移傳感器霍爾式位移傳感器原理示意圖（5）霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器結(jié)鉤原理圖及磁鋼外形9.1.4霍爾集成傳感器HST霍爾傳感器工作原理圖HST霍爾傳感器HST霍爾傳感器常見應用接口電路HK-1型霍爾接近開關(guān)組成的計數(shù)器電路HK-1型霍爾接近開關(guān)霍爾傳感器DN833驅(qū)動三極管、可控硅、繼電器、CMOS電路和TTL電路霍爾傳感器DN833霍爾效應測量磁場9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻1.磁阻效應：當一載流導體置于磁場中時，電阻值會隨磁場而變化的

9、現(xiàn)象。(包括物理磁阻效應與幾何磁阻效應。)2.磁阻效應的表達式 在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導體材料的兩種載流子 (電子和空穴 )的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化 ,它可表示為：22000273. 0B為磁感應強度；材料在磁感應強度為時的電阻率；0 材料在磁感應強度為0時的電阻率；載流子的遷移率。 當材料中僅存在一種載流子時磁阻效應幾乎可以忽略，此時霍耳效應更為強烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應很強。 長方形磁阻器件只有在L(長度)W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。磁阻效應包括物

10、理磁阻效應與幾何磁阻效應。物理磁阻效應： 長方形半導體晶片受到與電流方向垂直的磁場作用時，不但產(chǎn)生霍爾效應，還會出現(xiàn)電流密度下降、電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應。（一是材料的電阻率隨磁場的增加而增加，稱為磁阻率效應。） 幾何磁阻效應： 在物理磁阻效應發(fā)生時，如果所選擇的長方形半導體晶片的幾何尺寸不同，電阻值增大也不同，則稱為幾何磁阻效應。（二是在磁場的作用下，通過磁敏電阻電流的路徑變長，因而電極間電阻值增加，稱為幾何磁阻效應。） 把LW的扁平器件串聯(lián)起來，就會制成磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。 磁阻效應與霍爾效應的區(qū)別為：霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是

11、沿電流方向的電阻變化。 磁阻效應與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。 霍爾效應于磁阻效應是并存的。 在制造霍爾器件時應努力減少磁阻效應的影響，而制造磁阻器件時努力避免霍爾效應（在計算公式中，互為非線性項）。 在磁阻器件應用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制備方面，磁阻器件由于與霍爾不同。 據(jù)報導磁阻器件的響應速度同霍爾1uS量級。 磁阻傳感器由于工作機理不同于霍爾，因而供電也不同，而是采用恒壓源（但也需要一定的電流）供電。當后續(xù)電路不同對供電電源的穩(wěn)定性及內(nèi)部噪聲要求高低有所不同。3.磁敏電阻金屬短路條：起到提高磁敏電阻靈敏度的

12、作用。 金屬短路條將磁敏電阻分割為寬為b，長度滿足l/b=1/0.35b。4.磁敏電阻的主要特性 （1）磁電特性（電阻變化與B的關(guān)系）磁阻元件磁場電阻特性（2）靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場電阻特性的斜率。常用K表示，單位為mV/mA.kG即.Kg。在運算時常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應強度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。 相對靈敏度S： 是非線性的，且受溫度影響大。必須根據(jù)其特性進行溫度補償。（3）溫度特性（4）標稱阻值和額定功率（5）頻率特性5.磁

13、敏電阻的應用磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動化、智能機器人、電梯、智能住宅、機床、工業(yè)設備、斷路器、防爆電機保護器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動化、醫(yī)療設備、機床、遠程抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探礦等。9.3 9.3 磁敏二級管和磁敏三極管磁敏二級管和磁敏三極管1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 當磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的

14、不同而不同。 隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時，則在 r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。 -0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.3（c）磁敏二極管伏安特性曲線（a）鍺磁敏二極管（b）、（c）硅二極管-0.1T-0.15T-0.2T000U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二極管溫度特性曲線(單個使用時)U規(guī)定硅管的使用溫度為-4085，而鍺管則現(xiàn)