第9章 磁敏式傳感器

第二篇常用傳感器的原理及應(yīng)用1.掌握傳感器工作原理及特性2.掌握測量誤差及補償（霍爾元件）3.了解傳感器的應(yīng)用第9章磁敏式傳感器半導(dǎo)體磁敏式傳感器霍爾元件磁敏電阻磁敏二極管磁敏晶體管9.1霍爾傳感器

1、霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾效應(yīng)：置于磁場中的通電半導(dǎo)體，在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是運動電荷受磁場中洛侖磁力作用的結(jié)果——霍爾電場。其中，kH：霍爾常數(shù)（靈敏度），取決于材質(zhì)、溫度、元件尺寸（厚度）

：磁場與元件法線方向的夾角。

霍爾電勢（UH）為：顯然，改變I或B，即可改變UH。UH=kHIBcos霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成。4×2×0.1mm3

激勵電極霍爾電極霍爾元件在測量電路中一般有兩種表示方法?；魻栐幕倦娐坊魻栐霓D(zhuǎn)換效率較低，實際應(yīng)用中，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運算放大器放大，以獲得較大的UH。霍爾元件的連接電路2、霍爾元件的材料及主要特性參數(shù)霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體材料。主要特性參數(shù)：額定激勵電流IH靈敏度KH

輸入電阻Ri與輸出電阻R0不等位電勢U0和不等位電阻r0

當磁感應(yīng)強度B為零、激勵電流為額定值IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電勢）U0。不等位電勢U0與額定激勵電流IH之比稱為不等位電阻（零位電阻）r0.

產(chǎn)生不等位電勢的原因主要有：霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）；半導(dǎo)體材料的不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。霍爾電勢溫度系數(shù)、內(nèi)阻溫度系數(shù)等3、測量誤差及其補償不等位電勢誤差及其補償霍爾元件有兩對電極，各相鄰電極之間的電阻若為r1、r2、r3、r4，霍爾元件可等效為一個四臂電阻電橋。

（a）不等位電勢（b）霍爾元件等效電路能夠使電橋達到平衡的措施均可以用于補償不等位電勢。由于霍爾元件的不等位電勢同時也是溫度的函數(shù)，所以同時要考慮溫度補償問題。溫度誤差及其補償常用的補償電路包括：恒流源激勵并聯(lián)分流電阻補償電路；恒壓源激勵輸入回路串聯(lián)電阻補償電路；電橋補償電路；以及采用正、負不同溫度系數(shù)的電阻或合理選取負載電阻的阻值補償電路等等。假設(shè)初始溫度為T0時有如下參數(shù)：霍爾元件的輸入電阻為Ri0，選用的補償電阻RP0，被分流掉的電流為Ip0，激勵電流Ic0，霍爾元件的靈敏度KH0。當溫度升為T時，上述各參數(shù)相應(yīng)為：Ri、RP、Ip、Ic、KH，且有關(guān)系分別為輸入電阻、分流電阻及靈敏度的溫度系數(shù)

由電路于是

對于確定的霍爾元件，其參數(shù)是確定值，可由上式求得分流電阻RP0及要求的溫度系數(shù)，為此，此分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻進行串并聯(lián)。當溫度變化ΔT時，為使霍爾電勢不變則必須有如下關(guān)系：4、霍爾集成傳感器

將霍爾元件與放大、整形等電路集成在同一芯片上，具有體積小、靈敏度高、價格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

差動輸出線性霍爾集成傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器5、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾位移傳感器輸出電勢為UH1—UH2。在初始位置時UH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。

結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應(yīng)用。

霍爾轉(zhuǎn)速測量傳感器霍爾加速度傳感器霍爾振動傳感器霍爾流量計無損探傷9.2磁敏電阻

1、磁阻效應(yīng)

當一載流半導(dǎo)體置于磁場中，其電阻值會隨磁場而變化的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。

在磁場作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場的強弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：即霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。

磁阻效應(yīng)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(yīng)愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。

2、磁敏電阻的結(jié)構(gòu)與特性

磁敏電阻常選用InSb、InAs和NiSb等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結(jié)構(gòu)）。主要特性：磁電特性：電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負無關(guān)；溫度特性：溫度系數(shù)影響大；頻率特性：工作頻率范圍大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。3、磁敏電阻的應(yīng)用

磁頭；接近開關(guān)和無觸點開關(guān)；也可用于位移、力、加速度等參數(shù)的測量。R1、R2磁敏電阻位移傳感器

9.3磁敏二極管和磁敏三極管

磁敏二極管和磁敏三極管是一種PN結(jié)型的新型磁電轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出信號大、靈敏度高（約為霍爾元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體積小等特點，在磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測與控制中應(yīng)用廣泛。1、磁敏二極管工作原理磁場強度的改變引起電流發(fā)生變化，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。

主要特性伏安特性：不同磁場作用下所加正向偏壓與二極管流過電流的關(guān)系。磁電特性：輸出電壓的變比與外加磁場的關(guān)系。溫度特性：溫度系數(shù)的影響。頻率特性：與材料、尺寸有關(guān)。

2、磁敏三極管在正反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。當受到正向磁場(H+)作用時，載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流減小。當受到負向磁場(H-)作用時，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。

主要特性（普通三極管）伏安特性：