傳感器檢測技術磁敏傳感器

KH—霍耳器件的乘積靈敏度，與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關，表示單位磁感應強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。假設磁感應強度B的方向與電流方向夾角為α，霍耳電勢應為：UH＝KH

IBＵH＝KHIBsinα

注意：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍耳電勢并不改變方向。第一頁，共31頁。806040200VH/(mV)λ=∞B(T)理論值實際值霍耳電勢的負載特性λ=R3/R2

VHR3I霍耳電勢隨負載電阻值而改變的情況第二頁，共31頁。溫度特性霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性?？蓺w結為霍耳系數(shù)和電阻率(或電導率)與溫度的關系?；舳牧系臏囟忍卣鳌瞐〕RH與溫度的關系；〔b〕ρ與溫度的關系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0第三頁，共31頁。頻率特性

磁場恒定：給傳感器通入交變電流。到10kHz時交流輸出的頻率特性很好。霍耳器件可用于微波范圍，其輸出不受頻率影響。

磁場交變：霍耳電勢不僅與頻率有關，還與器件的電導率、周圍介質(zhì)的磁導率、磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關。這是由于在交變磁場作用下，元件內(nèi)部產(chǎn)生渦流。在交變磁場下，當頻率為數(shù)十kHz時，可以不考慮頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時，假如能仔細設計氣隙寬度，選用適宜的元件和導磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。第四頁，共31頁。霍爾傳感器的應用

霍爾電勢大小與磁場強度B和控制電流I二者的乘積成正比。實用中可以把I或B作為輸入信號，或兩者同時作為輸入信號。霍爾傳感器按其輸出特性分為線性輸出型和開關量輸出型兩種。

1)線性輸出將霍爾元件和放大電路做成一體。輸出電壓與通過的磁場強度B成線性比例關系。用于磁場檢測等場合。第五頁，共31頁。單端輸出傳感器的電路結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結構框圖

單端輸出：傳感器輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。雙端輸出：傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，可提供差動輸出。第六頁，共31頁。測量磁場的大小和方向電位差計mAESNR霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖第七頁，共31頁。原理：利用霍耳效應與集成電路技術結合而制成，能感知與磁信息有關的物理量，并以開關信號形式輸出。特點：霍耳開關集成傳感器使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境。2)霍耳開關集成傳感器第八頁，共31頁。由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口?；舳_關集成傳感器的構造及工作原理霍耳開關集成傳感器內(nèi)部結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H第九頁，共31頁?；舳_關集成傳感器的工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，圖中的BOP為工作點“開〞的磁感應強度，BRP為釋放點“關〞的磁感應強度。VOUT(V)12ONOFFBRPBOPBHB0外加磁場與傳感器輸出電平的關系。當外加磁感強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關狀態(tài)。第十頁，共31頁。第十一頁，共31頁。第十二頁，共31頁?；舳鷤鞲衅鞯膬x器優(yōu)點：(1)體積小，構造簡單、壽命長。(2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。(3)裝置性能穩(wěn)定，可靠性高。(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應用。(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動態(tài)特性好。缺點：轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。隨著新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點正逐步得到抑制。第十三頁，共31頁。第十四頁，共31頁。第十五頁，共31頁。第十六頁，共31頁。第十七頁，共31頁。第十八頁，共31頁。二、磁敏電阻電阻隨磁場變化而改變的敏感元件，也稱MR元件，它的理論根底為磁阻效應。磁阻效應給通電的金屬或半導體材料薄片加上與電流垂直或平行的外磁場，那么其電阻值會變化。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應，簡稱為磁阻效應。第十九頁，共31頁。在磁場中，電流的流動途徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。假設某種金屬或半導體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率非常懸殊，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：Ｂ——為磁感應強度；ρ——材料在磁感應強度為Ｂ時的電阻率；ρ0

——材料在磁感應強度為0時的電阻率；μ——載流子的遷移率。第二十頁，共31頁。沒有柵格時，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小。在L>W長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條(即短路柵格)，相當于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又進步了磁阻器件的靈敏度。LWBBII

a

b第二十一頁，共31頁。三、磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管、磁敏三極管是霍耳元件和磁敏電阻之后開展起來的磁電轉(zhuǎn)換元件。優(yōu)點：磁靈敏度高，磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單，應用廣泛；在檢測、控制等方面普遍應用。第二十二頁，共31頁。磁敏二極管的構造與工作原理與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結的長度很短，防止載流子在基區(qū)里復合，磁敏二級管的PN結很長，大于載流子的擴散長度，由接近本征半導體的高阻材料構成的。一般鍺磁敏二級管用ρ=40Ω?cm左右的P型或N型單晶(鍺本征半導體的ρ=50Ω?cm)，在它的兩端有P型和N型鍺，假設r表示本征，那么其PN結實際上是由Pr結和Nr結共同組成。以2ACM—1A為例，磁敏二級管的構造是P+—i—N+型。第二十三頁，共31頁。+（b）磁敏二極管的構造和電路符號(a)構造;(b)電路符號H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流〔a〕在高純度鍺半導體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)(i)區(qū)的一個側(cè)面上，設置高復合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復合外表，構成磁敏二極管的管芯。第二十四頁，共31頁。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不同而不同。

磁敏二極管的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，PNH－電流（b）iPNH＋電流（c）iPNH=0→→→←←←電流（a）i電子空穴復合區(qū)第二十五頁，共31頁。磁電特性：在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場變化的關系

磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個使用時（b）互補使用時B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0

3kΩREE=12V（18V）Td=20℃（a）（b）ΔU/VΔU/V以下圖給出磁敏二極管單個使用和互補使用時的磁電特性曲線。第二十六頁，共31頁。磁敏三極管的構造與原理磁敏三極管的構造：NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導體上，用合金法或擴散法形成三個結——即發(fā)射結、基極結、集電結所形成的半導體元件。在長基NPN型磁敏三極管的構造和符號a)構造b)符號rN+N+ceH-H+P+bceb區(qū)的側(cè)面制成一個復合速率很高的高復合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復合基區(qū)兩部分。i第二十七頁，共31頁。磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）磁敏三極管