第8章磁電傳感器

第八章磁電傳感器

本章主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管。

霍爾元件是一種四端元件8.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強度B為零時的情況cdab磁感應(yīng)強度B較大時的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示：

EH=KHIB霍爾效應(yīng)演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)最大激勵電流IM:

由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當？5μA0.1mA2mA80mA

霍爾元件連接方式和輸出電路1.基本測量電路在測量中，可以把電流I、磁場強度B或者IB作為輸入信號，來測量輸出電勢。2.連接方式a.直流供電。控制電流并聯(lián)，由W1、W2調(diào)節(jié)兩個元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單塊的兩倍。b.交流供電?？刂齐娏鞔?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。3.霍爾電勢的輸出電路作線性測量時，最好選靈敏度低一點、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。作開關(guān)使用時，要選擇靈敏度高的霍爾元件。見書中兩例。四、霍爾元件的測量誤差和補償方法造成測量誤差的主要因素有兩類：半導(dǎo)體的固有特性；半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。1.零位誤差及補償方法在加控制電流但不加外磁場時出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。制造工藝問題造成的不等位電勢是主要的零位誤差。如圖a，當控制電流I流過時，即使未加外磁場，A，B兩電極此時仍存在電位差，此電位差稱為不等位電勢U0?？梢园鸦魻栐刃橐粋€四臂電橋，如圖b幾種常用的補償方法。2.溫度誤差及其補償因為半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此，會導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度而變化，這種變化的程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。溫度高到一定程度時，產(chǎn)生的變化相當大。常采用的補償電路有：（1）利用輸出回路并聯(lián)電阻進行補償補償電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為：利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平?；魻柺浇咏_關(guān)

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作。霍爾接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT8.2.1磁阻效應(yīng)當載流導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。當溫度恒定時，在磁場中，磁阻與磁感應(yīng)強度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為：8.2磁敏電阻器電阻率的相對變化可以看出，在磁感應(yīng)強度Ｂ一定時，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。7.3.2磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。在恒定磁感應(yīng)強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。8.2.3磁阻元件的主要特性1.靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場—電阻變化率特性曲線的斜率。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為施加0.3T磁感應(yīng)強度時磁阻元件的電阻值。8.2.4磁敏傳感器的應(yīng)用

磁敏電阻：半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。

磁敏電阻可用于測量地球磁場的方向及強度的變化。

指南針只能指示地球磁場的方向。磁阻式電子羅盤磁敏電阻IC及其應(yīng)用線性磁阻位置傳感器磁敏電阻的應(yīng)用

根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監(jiān)測，停車場檢測，車輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。

利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）

磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）

磁力探礦儀的使用磁敏電阻小型探礦儀

上海直川信息技術(shù)有限公司研制的磁阻探礦儀及數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線圖磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測量磁力線集中磁力線分散磁阻IC用于筆式驗鈔器驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑的無復(fù)合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（為r區(qū)），因為電子—空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。7.4.1磁敏二極管的工作原理和主要特性7.4磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)+－圖磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖（a）結(jié)構(gòu)（b）符號P+N+I區(qū)r區(qū)當磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加正向偏壓后，則有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進