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第八章磁電式傳感器

磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,φ)敏感的元器件或裝置,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。一、霍耳磁敏傳感器二、磁敏二極管和磁敏三極管三、磁敏電阻

磁電式傳感器的種類(lèi)很多,本章僅介紹其中的半導(dǎo)體磁敏傳感器。1一、霍耳磁敏傳感器

(一)霍耳效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)B中,在相對(duì)兩側(cè)通以電流I,在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生一個(gè)大小與電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì),該薄片稱(chēng)為霍爾元件。+I+++++------------Blbd霍耳效應(yīng)原理圖VH2(二)霍耳磁敏傳感器工作原理

設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體,其長(zhǎng)度為l,寬度為b,厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng),則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下,空穴受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C);v—載流子運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)右手螺旋定則,電子運(yùn)動(dòng)方向向上偏移,則在上端產(chǎn)生電子積聚,下端失去電子產(chǎn)生正電荷積聚。從而形成電場(chǎng)。電場(chǎng)作用于電子的電場(chǎng)力為

電場(chǎng)力與洛侖茲力方向相反,阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn),當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)3霍耳電勢(shì)VH與I、B的乘積成正比,而與d成反比??筛膶?xiě)成:

電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度P型半導(dǎo)體

—霍耳系數(shù),由材料物理性質(zhì)決定。p—P型半導(dǎo)體中的空穴濃度ρ—材料電阻率μ—載流子遷移率金屬材料電子μ很高但ρ很小,絕緣材料ρ很高但μ很小。故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng),霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。而電子的遷移率比空穴大,所以以N型半導(dǎo)體居多。4設(shè)KH=RH/d

KH—霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān),它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線(xiàn)夾角為θ時(shí),霍耳電勢(shì)應(yīng)為:

VH=KH

IB

VH=KHIBcosθ

注意:當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí),輸出霍耳電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí),霍耳電勢(shì)并不改變方向。5霍耳器件片a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm);(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu);(c)等效電路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸:5.4×2.7×0.2(三)霍耳磁敏傳感器(霍爾元件)dsl(b)2.15.42.7AB0.20.50.3CD(a)w電流極霍耳電極R4ABCDR1R2R3R4(c)6霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱(chēng)為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱(chēng)為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻,稱(chēng)為輸入電阻,或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻,稱(chēng)為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。

控制電流或輸入電流:流入到器件內(nèi)的電流。電極A、B相應(yīng)地稱(chēng)為元件電流端、控制電流端或輸入電流端。H圖2.6-4霍耳器件符號(hào)AAABBBCCCDDD關(guān)于霍耳器件符號(hào),名稱(chēng)及型號(hào),國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定,為敘述方便起見(jiàn),暫規(guī)定下列名稱(chēng)的符號(hào)。

7控制電流I;霍耳電勢(shì)VH;控制電壓V;輸出電阻R2;輸入電阻R1;霍耳負(fù)載電阻R3;霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?;舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下,由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍爾元件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B,或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。8上兩式是霍爾元件中的基本公式。即:輸入電流或輸入電壓和霍耳輸出電勢(shì)完全呈線(xiàn)性關(guān)系。同理,如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢(shì)之間也完全呈線(xiàn)性關(guān)系。同樣,若給出控制電壓V,由于V=R1I,可得控制電壓和霍耳電勢(shì)的關(guān)系式設(shè)霍耳片厚度d均勻,電流I和霍耳電場(chǎng)的方向分別平行于長(zhǎng)、短邊界,則控制電流I和霍耳電勢(shì)VH的關(guān)系式9(四)、基本特性

1、直線(xiàn)性:指霍耳器件的輸出電勢(shì)VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線(xiàn)性關(guān)系。VH=KHBI

2、靈敏度:可以用元件靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及電流靈敏度、電勢(shì)靈敏度表示:KH——Hall元件靈敏度,表示霍耳電勢(shì)VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值,mV/(mA·KGs)。因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來(lái)確定,故又稱(chēng)為乘積靈敏度。10KB——磁場(chǎng)靈敏度,通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場(chǎng)靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值。常用于磁場(chǎng)測(cè)量等情況。

KI——電流靈敏度,電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值。若控制電流值固定,則:VH=KBB若磁場(chǎng)值固定,則:VH=KII113、最大輸出功率在霍耳電極間接入負(fù)載后,元件的功率輸出與負(fù)載的大小有關(guān),當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負(fù)載電阻R3時(shí),霍耳輸出功率為最大。4、最大效率霍耳器件的輸出與輸入功率之比,稱(chēng)為效率,和最大輸出對(duì)應(yīng)的效率,稱(chēng)為最大效率,即:5、負(fù)載特性當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)載時(shí),因?yàn)榱鬟^(guò)霍耳電流,在霍爾元件上將產(chǎn)生壓降,故實(shí)際霍耳電勢(shì)比理論值小。由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響,霍耳電勢(shì)和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系改變。如圖所示。

128060402000.20.40.60.81.0VH/mVλ=∞(空載)λ=7.0λ=1.5λ=3.0B/T理論值實(shí)際值VHR3I霍耳電勢(shì)的負(fù)載特性λ=R3/R2

霍耳電勢(shì)隨負(fù)載電阻值而改變的情況137、溫度特性:指霍耳電勢(shì)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。它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率(或電導(dǎo)率)與溫度的關(guān)系?;舳牧系臏囟忍卣鳎╝)RH與溫度的關(guān)系;(b)ρ與溫度的關(guān)系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0雙重影響:元件電阻,采用恒流供電;載流子遷移率,影響靈敏度。二者相反。148、頻率特性磁場(chǎng)恒定,而通過(guò)傳感器的電流是交變的。器件的頻率特性很好,到10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此,霍耳器件可用于微波范圍,其輸出不受頻率影響。

磁場(chǎng)交變。霍耳輸出不僅與頻率有關(guān),而且還與器件的電導(dǎo)率、周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場(chǎng)作用下,元件與導(dǎo)體一樣會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。

總之,在交變磁場(chǎng)下,當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí),可以不考慮頻率對(duì)器件輸出的影響,即使在數(shù)MHz時(shí),如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度,選用合適的元件和導(dǎo)磁材料,仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。15造成測(cè)量誤差的主要因素有兩類(lèi):半導(dǎo)體固有特性和半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。誤差表現(xiàn)為:零位誤差和溫度誤差。零位誤差:霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱(chēng)為零位電勢(shì),又稱(chēng)為不等位電勢(shì)。主要原因在于霍爾電極不在同一等位面。(五)霍爾元件的測(cè)量誤差可采用電橋平衡原理補(bǔ)償。16霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器,它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量,并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出?;舳_(kāi)關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。(五)霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器17由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)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(kāi)路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。1.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+-穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H18

3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123(b)應(yīng)用電路(a)外型

霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123192.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線(xiàn)從工作特性曲線(xiàn)上可以看出,工作特性有一定的磁滯BH,這對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度,BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線(xiàn)VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù):工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0

該曲線(xiàn)反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí),輸出電平由高變低,傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí),輸出電平由低變高,傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

203.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用

(1)霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVAC21VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL22①磁鐵軸心接近式

在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下,霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線(xiàn)NSAlNiCo

磁鐵Ф6.4×320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí),傳感器開(kāi)關(guān)接通,而磁鐵移開(kāi)到一定距離時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí),如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)作用距離作合適的選擇。

(2)給傳感器施加磁場(chǎng)的方式23

②磁鐵側(cè)向滑近式

要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變,而磁鐵的軸線(xiàn)與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動(dòng)的方式在傳感器前方通過(guò)。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線(xiàn)0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙2.05AlNiCo

磁鐵Ф6.4×32L2距離L2/mm24③采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍耳開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí),提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)重要方面。除選用磁感應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外,還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤(pán)在磁鐵上安裝鐵底盤(pán)示意圖25霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域:點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等4.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域261.霍耳線(xiàn)性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

霍耳線(xiàn)性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線(xiàn)性比例關(guān)系。這類(lèi)傳感器一般由霍耳元件和放大器組成,當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線(xiàn)性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,為了提高傳感器的性能,往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線(xiàn)性度調(diào)整等電路。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài),而霍耳線(xiàn)性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線(xiàn)性感應(yīng)。因此霍耳線(xiàn)性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制?;舳€(xiàn)性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種,其電路結(jié)構(gòu)如下圖。(六)霍耳線(xiàn)性集成傳感器27單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件,它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線(xiàn)性響應(yīng),通常將輸出電壓連到外接放大器,將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。

雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件,它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出,還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。282.霍耳線(xiàn)性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)

傳感器的輸出特性如下圖:磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線(xiàn)292.霍耳線(xiàn)性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)

傳感器的輸出特性如下圖:2.52.01.51.00.50.040.080.120.160.200.24輸出電壓U/V磁感應(yīng)強(qiáng)度B/TSL3501M傳感器的輸出特性曲線(xiàn)00.280.32R=0R=15ΩR=100Ω30(七)霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用

利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件,不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面,而且在測(cè)量技術(shù)、無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性,可借助于固定元件的控制電流,對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類(lèi)特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤(pán)、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。31利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn):

(1)體積小,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。

(2)無(wú)可動(dòng)部件,無(wú)磨損,無(wú)摩擦熱,噪聲小。

(3)裝置性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng),可靠性高。

(4)頻率范圍寬,從直流到微波范圍均可應(yīng)用。

(5)霍耳器件載流子慣性小,裝置動(dòng)態(tài)特性好。霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是,由于新材料新工藝不斷出現(xiàn),這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。32測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向電位差計(jì)mAESNR圖2.6-24霍耳磁敏傳感器測(cè)磁原理示意圖33材料溫度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070表2.6-2幾種導(dǎo)體材料在低溫下的性能34

二、磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高(磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍);能識(shí)別磁場(chǎng)的極性;體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn),因而正日益得到重視;并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。

35(一)磁敏二極管(SMD)的原理和特性

1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

(1)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域,并將較長(zhǎng)的本征區(qū)(i區(qū))的一個(gè)側(cè)面打毛形成高復(fù)合區(qū)(r區(qū)),而與r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面,保持為光滑無(wú)復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯,其結(jié)構(gòu)如圖。36PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流(a)(b)(c)磁敏二極管的工作原理示意圖流過(guò)二極管的電流也在變化,也就是說(shuō)二極管等效電阻隨著磁場(chǎng)的不同而不同。為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢?下面作一下分析。(2)磁敏二極管的工作原理

當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極,N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時(shí),隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化,iii電子空穴復(fù)合區(qū)37結(jié)論:隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化,可產(chǎn)生輸出電流(電壓)的變化、特別是在較弱的磁場(chǎng)作用下,可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)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(shí),則在r區(qū)僅流過(guò)很微小的電流,顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而流過(guò)二極管的電流(端電壓)不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。38

2.磁敏二極管的主要特征(1)伏安特性

在給定磁場(chǎng)情況下,磁敏二極管兩端正向偏壓和通過(guò)它的電流的關(guān)系曲線(xiàn)。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T(a)531I/mA46810U/V

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.20.30.4(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(xiàn)(a)鍺磁敏二極管(b)、(c)硅二極管-0.1T-0.15T-0.2T00039由圖可見(jiàn)硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式。一種如圖(b)所示,開(kāi)始在較大偏壓范圍內(nèi),電流變化比較平坦,隨外加偏壓的增加,電流逐漸增加;此后,伏安特性曲線(xiàn)上升很快,表現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小。另一種如圖2.6-29(c)所示。硅磁敏二極管的伏安特性曲線(xiàn)上有負(fù)阻現(xiàn)象,即電流急增的同時(shí),有偏壓突然跌落的現(xiàn)象。

產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻硅的熱平衡載流子較少,且注入的載流子未填滿(mǎn)復(fù)合中心之前,不會(huì)產(chǎn)生較大的電流,當(dāng)填滿(mǎn)復(fù)合中心之后,電流才開(kāi)始急增之故。

40

(2)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(chǎng)間的變化關(guān)系,叫做磁敏二極管的磁電特性。磁敏二極管的磁電特性曲線(xiàn)(a)單個(gè)使用時(shí)(b)互補(bǔ)使用時(shí)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=12VTd=20℃a(b)ΔU/VΔU/V下圖給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線(xiàn)。41

(3)溫度特性溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下,輸出電壓變化量(或無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)中點(diǎn)電壓)隨溫度變化的規(guī)律,如圖所示。ΔU/VT/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I圖2.6-31磁敏二極管溫度特性曲線(xiàn)(單個(gè)使用時(shí))ΔU互補(bǔ):兩只性能相近的磁敏二極管按相反磁極性組合,并串聯(lián)在電路中。42由圖可見(jiàn),磁敏二極管受溫度的影響較大。反映磁敏二極管的溫度特性好壞,也可用溫度系數(shù)來(lái)表示。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下,u0的溫度系數(shù)小于+20mV/℃,的溫度系數(shù)小于0.6%/℃。而鍺磁敏二極管u0的溫度系數(shù)小于-60mV/℃,的溫度系數(shù)小于1.5%/℃。所以,規(guī)定硅管的使用溫度為-40~+85℃,而鍺管則現(xiàn)定為-40~+65℃。43(4)頻率特性

硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間,幾乎等于注入載流子漂移過(guò)程中被復(fù)合并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間。所以,頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于1,即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz。dB0.1-12-9-6-3

01010.01圖2.6-32鍺磁敏三極管頻率特性f/kHz44(二)磁敏三極管的工作原理和主要特性

1.磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

(1)磁敏三極管的結(jié)構(gòu)

NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上,用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元圖2.6-33NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a)結(jié)構(gòu)b)符號(hào)rN+N+ceH-H+P+bceba)b)件,如圖。最大的特點(diǎn)是基區(qū)很長(zhǎng),基區(qū)結(jié)構(gòu)類(lèi)似于磁敏二極管。也有高復(fù)合區(qū)r。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。i45(2)磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+(a)(b)(c)磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-運(yùn)輸基區(qū);2-復(fù)合基區(qū)1246當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖時(shí),由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度,因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外,大部分通過(guò)e—i—b而形成基極電流。顯而易見(jiàn),基極電流大于集電極電流。所以,電流放大系數(shù)=Ic/Ib<1。當(dāng)受到H+磁場(chǎng)作用如圖(b)時(shí),由于洛侖茲力作用,載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn),從而使集電極電流明顯下降。當(dāng)受磁場(chǎng)使用如圖(c)時(shí),載流子在洛侖茲力作用下,向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn),使集電極電流增大。47/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=-0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA磁敏三極管伏安特性曲線(xiàn)2.磁敏三極管的主要特性

(1)伏安特性

(b)給出了磁敏三極管在基極恒流條件下(Ib=3mA)、磁場(chǎng)為0.1T時(shí)的集電極電流的變化;圖

(a)則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線(xiàn)。48(2)磁電特性磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM(NPN型)鍺磁敏三極管的磁電特性曲線(xiàn)如圖2.6-36所示。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見(jiàn),在弱磁場(chǎng)作用時(shí),曲線(xiàn)近似于一條直線(xiàn)。49

(3)溫度特性

磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為0.8%/℃;3CCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為-0.6%/℃。3BCM的溫度特性曲線(xiàn)如圖所示。

3BCM磁敏三極管的溫度特性(a)基極電源恒壓(b)基極恒流(a)-20020401.20.80.4

1.660B=0B=-0.1TB=0.1TT/℃基極電源恒壓Vb=5.7VIC/mA基極恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=-0.1TB=0.1TT/℃(b)IC/mA可采用晶體管、磁敏二極管和差分電路進(jìn)行補(bǔ)償。(4)頻率特性

3BCM鍺磁敏三極管對(duì)于交變磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)特性為10kHz。

50(三)磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用

由于磁敏管有效高的磁靈敏度,體積和功耗都很小,且能識(shí)別磁極性等優(yōu)點(diǎn),是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件,它有著廣泛的應(yīng)用前景。利用磁敏管可以作成磁場(chǎng)探測(cè)儀器—如高斯計(jì)、漏磁測(cè)量?jī)x、地磁測(cè)量?jī)x等。用磁敏管作成的磁場(chǎng)探測(cè)儀,可測(cè)量10-7T左右的弱磁場(chǎng)。根據(jù)通電導(dǎo)線(xiàn)周?chē)哂写艌?chǎng),而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又取決于通電導(dǎo)線(xiàn)中電流大小的原理,因而可利用磁敏管采用非接觸方法來(lái)測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)中電流。而用這種裝置來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)還可確定導(dǎo)線(xiàn)中電流值大小,既安全又省電,因此是一種備受歡迎的電流表。此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測(cè)高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無(wú)觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。51(四)、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù)

3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表參數(shù)單位測(cè)試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100Ω,Ib=2mA,B=0.1T5~1010~1515~2020~25>25擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A≤200≤200≤200≤200≤200最大基極電流mAEc=6VRL=5kΩ4功耗PcmmW

45使用溫度℃

-40~65℃最高溫度℃

75mA523CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表

參數(shù)單位測(cè)試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T>5%擊穿電壓BUccoVIc=10≥20V漏電流Icc0Ice=6A≤5功耗mW

20mW使用溫度℃

-40~85℃最高溫度℃

100℃溫度系數(shù)%/℃

-0.10~-0.25%/℃53三、磁敏電阻

是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件,也稱(chēng)MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。(一)

磁阻效應(yīng)

若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng),則其電阻值就增加。稱(chēng)此種現(xiàn)象為磁致電阻效應(yīng),簡(jiǎn)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。54在磁場(chǎng)中,電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng),使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)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:B——為磁感應(yīng)強(qiáng)度;ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率;ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率;μ——載流子的遷移率。55當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略,此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料(如InSb)中,則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。磁敏電阻大多采用圓盤(pán)結(jié)構(gòu)。(P205)長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)度)<W(寬度)的條件下,才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來(lái),就會(huì)零磁場(chǎng)電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。56圖(a)是沒(méi)有柵格(短路電極)時(shí),

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