第九章磁敏傳感器

1、 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 9.3 結(jié)型磁敏管結(jié)型磁敏管第第9 9章章 磁敏傳感器磁敏傳感器磁場(chǎng)磁場(chǎng) 電信號(hào)電信號(hào) 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器磁場(chǎng)磁場(chǎng) 電壓電壓UH9.1.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流I，就會(huì)在薄片，就會(huì)在薄片的另一對(duì)側(cè)面間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的另一對(duì)側(cè)面間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，如圖，如圖9-1所示。這種現(xiàn)象所示。這種現(xiàn)象稱為稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)霍爾電動(dòng)勢(shì)

2、，這種薄，這種薄片（一般為半導(dǎo)體）稱為片（一般為半導(dǎo)體）稱為霍爾片霍爾片或或霍爾元件霍爾元件。圖圖9-1 霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 在磁場(chǎng)在磁場(chǎng)B中運(yùn)動(dòng)的電子將受到中運(yùn)動(dòng)的電子將受到Lorentz力力fLfL=evB (9-1)偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn),建立的霍爾電場(chǎng)建立的霍爾電場(chǎng)EH對(duì)隨后的運(yùn)動(dòng)電子施加一電場(chǎng)力對(duì)隨后的運(yùn)動(dòng)電子施加一電場(chǎng)力fEfE=eEH=eUH /b (9-2) 平衡時(shí)，平衡時(shí)， fL = fE，即，即evB= eUH /b (9-3)由于電流密度由于電流密度J=-nev(v為電子運(yùn)動(dòng)速度為電子運(yùn)動(dòng)速度 )，則電流強(qiáng)度為，則電流強(qiáng)度為I=-nevbd (9

3、-4)所以所以 (9-5)式中，式中，d霍爾片度；霍爾片度；n電子濃度；電子濃度； RH=1/ne霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)；KH=RH/d=1/ned霍爾靈敏度霍爾靈敏度。IBKdIBRnedIBUHHH9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 從式從式(9-3)知，霍爾電壓知，霍爾電壓UH與載流子的運(yùn)動(dòng)速度與載流子的運(yùn)動(dòng)速度v有關(guān)，有關(guān)，即與載流子的遷移率即與載流子的遷移率 有關(guān)。由于有關(guān)。由于 = v/El(El為電流方向上為電流方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)強(qiáng)度)，材料的電阻，材料的電阻 =1/ne ，所以霍爾系數(shù)，所以霍爾系數(shù)RH與載與載流體材料的電阻率流體材料的電阻率 和載流子的遷移率和載流子的遷移率 的關(guān)系為

4、的關(guān)系為RH= （9-6） 金屬導(dǎo)體：金屬導(dǎo)體： 大，但大，但 ?。ㄐ。╪大）；大）； 絕緣體：絕緣體： 大（大（n?。?，但?。?，但 小；?。凰鼈兌疾灰俗骰魻栐鼈兌疾灰俗骰魻栐?RH太小太小)。 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體： 、 適中適中適宜作霍爾元件。適宜作霍爾元件。9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾電壓霍爾電壓UH還與元件的幾何尺寸有關(guān)：還與元件的幾何尺寸有關(guān)： KH=1/ned厚度厚度d越小越好，一般越小越好，一般d=0.01mm； 寬度寬度b加大，或長(zhǎng)寬比（加大，或長(zhǎng)寬比（l/b）減小時(shí)，將會(huì)使）減小時(shí)，將會(huì)使UH下降，下降，應(yīng)加以修正應(yīng)加以修正式中，式中，f(l/b)形狀效應(yīng)系數(shù)形狀效應(yīng)系

5、數(shù)，如表，如表9-2所示。一般取所示。一般取l/b=22.5，則，則f(l/b) 1，就足夠了，就足夠了。blfdIBRUHH9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 圖圖9-1 霍爾元件示意圖霍爾元件示意圖a)原理圖；原理圖；b)結(jié)構(gòu)圖；結(jié)構(gòu)圖；c)圖形符號(hào)；圖形符號(hào)；d)外形圖外形圖9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器9.1.2 霍爾元件主要技術(shù)參數(shù)霍爾元件主要技術(shù)參數(shù) 1.輸入電阻輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻Ro Ri Ro，Ri、Ro=1002000 。 2.額定控制電流額定控制電流Ic使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10 C溫升的溫升的控制電流控制電流Ic=(幾幾幾十幾十)mA。 3.不

6、等位電勢(shì)不等位電勢(shì)U0和不等為電阻和不等為電阻R0 霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)其霍爾霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)其霍爾電極間的電勢(shì)為不等位電勢(shì)電極間的電勢(shì)為不等位電勢(shì)U0，主要是由于兩電極不在同，主要是由于兩電極不在同一等位面上以及材料電阻率不均勻等因素引起的，一般一等位面上以及材料電阻率不均勻等因素引起的，一般U0 10mV。等效為不等為電阻。等效為不等為電阻R0= U0 /Ic。 4.靈敏度靈敏度KH 在單位磁感強(qiáng)度下，通以單位控制電流時(shí)所產(chǎn)生的開(kāi)路在單位磁感強(qiáng)度下，通以單位控制電流時(shí)所產(chǎn)生的開(kāi)路霍爾電壓（霍爾電壓（mV/mAT或或mV/mAkGs）。）。9.

7、1 霍爾傳感器霍爾傳感器 5.寄生直流電勢(shì)寄生直流電勢(shì)UoD 在不加外磁場(chǎng)時(shí)，交流控制電流通過(guò)霍爾元件而在霍爾在不加外磁場(chǎng)時(shí)，交流控制電流通過(guò)霍爾元件而在霍爾電極間產(chǎn)生的直流電勢(shì)為寄生直流電勢(shì)電極間產(chǎn)生的直流電勢(shì)為寄生直流電勢(shì)UoD。它主要是由。它主要是由于電極與霍爾片間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造于電極與霍爾片間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。成的。 6.霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 為溫度變化為溫度變化1 C時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率（時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率（%/ C）。）。 7.電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) 為溫度變化為溫度變化1 C時(shí)，霍爾元件電阻變化的百分（時(shí)，霍爾元件

8、電阻變化的百分（%/ C） 8.靈敏度溫度系數(shù)靈敏度溫度系數(shù) 為溫度變化為溫度變化1 C時(shí)，霍爾元件靈敏度的變化率。時(shí)，霍爾元件靈敏度的變化率。 9.線性度線性度 表表9-3列出幾種霍爾元件的主要技術(shù)性能。列出幾種霍爾元件的主要技術(shù)性能。9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器9.1.3 基本誤差及其補(bǔ)償基本誤差及其補(bǔ)償9.1.3.1溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償 溫度變化，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻（溫度變化，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻（Ri、Ro)和霍爾和霍爾靈敏度（靈敏度（KH）等變化，給測(cè)量帶來(lái)一定誤差，即）等變化，給測(cè)量帶來(lái)一定誤差，即溫度誤差。為了減溫度誤差，需采取溫度補(bǔ)償措溫度誤差。為了減溫度誤差，需采取溫度

9、補(bǔ)償措施。施。 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 1.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化引起霍爾元件輸入電阻溫度變化引起霍爾元件輸入電阻Ri變化，在穩(wěn)壓源供電變化，在穩(wěn)壓源供電時(shí)，使控制電流變化，帶來(lái)誤差。為了減小這種誤差，最時(shí)，使控制電流變化，帶來(lái)誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源好采用恒流源(穩(wěn)定度穩(wěn)定度 0.1%)提供控制電流。但靈敏度系數(shù)提供控制電流。但靈敏度系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為也是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)一步提高了進(jìn)一步提高UH的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有

10、正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路并聯(lián)電阻爾元件，可在其輸入回路并聯(lián)電阻R，如圖，如圖9-2所示。所示。 圖圖9-2 恒流源及輸入并聯(lián)恒流源及輸入并聯(lián)電阻溫度補(bǔ)償電路電阻溫度補(bǔ)償電路9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 由補(bǔ)償電路圖知，在溫度由補(bǔ)償電路圖知，在溫度t0和和t時(shí)時(shí) RRIRIic00/(9-8)(RRIRIitct(9-9)001ttKKHHt(9-10)001ttRRiit(9-11)當(dāng)溫度影響完全補(bǔ)償時(shí)，當(dāng)溫度影響完全補(bǔ)償時(shí)，UH0=UHt，則，則BIKBIKctHt0c0H (9-12) 將式將式(9-8)式式(9-11)代入式代入式(9-12)，可得，可得 RRttRRRtti

11、ii0000010iRR 0iRR (9-13,14)9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 2選取合適的負(fù)載電阻選取合適的負(fù)載電阻RL 霍爾元件的輸出電阻霍爾元件的輸出電阻R。和霍爾電勢(shì)都是溫度的函數(shù)。和霍爾電勢(shì)都是溫度的函數(shù)(設(shè)設(shè)為正溫度系數(shù)為正溫度系數(shù))，霍爾元件應(yīng)用時(shí)，其輸出總要接負(fù)載，霍爾元件應(yīng)用時(shí)，其輸出總要接負(fù)載RL(如電壓表內(nèi)阻或放大器的輸入阻抗等如電壓表內(nèi)阻或放大器的輸入阻抗等)。當(dāng)工作溫度改。當(dāng)工作溫度改變時(shí)，輸出電阻變時(shí)，輸出電阻R。的變化必然會(huì)引起負(fù)載上輸出電勢(shì)的。的變化必然會(huì)引起負(fù)載上輸出電勢(shì)的變化。變化。RL上的電壓為上的電壓為000011ttRRttURRRRUUOLHLL

12、OtLHtL1RR0OL式中，式中，Ro0溫度為溫度為t0時(shí)霍爾元件的輸出電阻。時(shí)霍爾元件的輸出電阻。 要使負(fù)載電壓要使負(fù)載電壓UL不隨溫度變化，即不隨溫度變化，即00ttd/dUL9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器n3.采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓源供電，且霍爾輸出開(kāi)路當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓源供電，且霍爾輸出開(kāi)路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串人適當(dāng)電阻來(lái)狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串人適當(dāng)電阻來(lái)補(bǔ)償溫度誤差，其分析過(guò)程與結(jié)果同式補(bǔ)償溫度誤差，其分析過(guò)程與結(jié)果同式(9-14)。9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 4采用溫度補(bǔ)償元件采用溫度補(bǔ)償元件 這是一種常用的

13、溫度誤差補(bǔ)償方法，尤其適用于銻化銦這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法，尤其適用于銻化銦材料的霍爾元件。圖材料的霍爾元件。圖 9-3示出了采用熱敏元件進(jìn)行溫度補(bǔ)示出了采用熱敏元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膸追N不同連接方式的例子。圖中償?shù)膸追N不同連接方式的例子。圖中ri為激勵(lì)源內(nèi)阻為激勵(lì)源內(nèi)阻r(t)、R(t)為熱敏元件如熱電阻或熱敏電阻。通過(guò)對(duì)電路的簡(jiǎn)單為熱敏元件如熱電阻或熱敏電阻。通過(guò)對(duì)電路的簡(jiǎn)單計(jì)算便可求得有關(guān)的計(jì)算便可求得有關(guān)的R(t)和和r(t)的阻值。的阻值。圖圖93 采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路(a)、 (b)、(c)為電壓源激勵(lì)；為電壓源激勵(lì)；(d)為電流源激勵(lì)為電

14、流源激勵(lì)9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 9.1.3.2 零位誤差及其補(bǔ)償零位誤差及其補(bǔ)償 霍爾元件的零位誤差主要有不等位電勢(shì)霍爾元件的零位誤差主要有不等位電勢(shì)Uo和寄生直流電勢(shì)和寄生直流電勢(shì)UoD等。不等。不等位電勢(shì)等位電勢(shì)Uo 如圖如圖9-4(a)所示?；魻栐傻刃橐粋€(gè)四臂電橋，如圖所示。霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電橋，如圖9-4(b)所示。除了工藝上采取措施降低所示。除了工藝上采取措施降低Uo外，還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)外，還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。如圖償。如圖9-4(c)所示。所示。 改變工作電流方向，取其霍爾電勢(shì)平均值，或采用交流供電亦可以。改變工作電流方向，取其霍爾電勢(shì)平均值，或采用交

15、流供電亦可以。 圖圖9-4 不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路(a)不等位電路；不等位電路；(b)等效電路；等效電路；(c)補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 9.1.4 霍爾元件的應(yīng)用電路霍爾元件的應(yīng)用電路 1.基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路 圖圖9-5所示為霍爾元件的基本應(yīng)用電路。由于霍爾元件所示為霍爾元件的基本應(yīng)用電路。由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)必須在磁場(chǎng)B與控制電流與控制電流Ic作用下才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)作用下才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì) UH，所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以把所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以把Ic和和B的乘積、或者的乘積、或者Ic、或者、或者B作作為輸入信號(hào)，則霍爾元件的輸出為輸入信號(hào)，則霍爾元件的

16、輸出電勢(shì)分別正比于電勢(shì)分別正比于IcB或或Ic或或B。 通過(guò)霍爾元件的電流通過(guò)霍爾元件的電流Ic為為則則HBAcRRREIcHcBAIRIERR9-5霍爾元件基本應(yīng)用電路霍爾元件基本應(yīng)用電路 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 圖圖9-6為霍爾元件的幾種偏置電路：為霍爾元件的幾種偏置電路： (a)是無(wú)外接偏置電阻的電路。適用于是無(wú)外接偏置電阻的電路。適用于RH較大的霍爾元件較大的霍爾元件 (b)是在電源正端與霍爾片之間串接偏置電阻是在電源正端與霍爾片之間串接偏置電阻R的電路。適的電路。適用用RH較小的霍爾元件；較小的霍爾元件； (c)是在電源負(fù)端與霍爾片之間串接電阻是在電源負(fù)端與霍爾片之間串接電阻R

17、的電路。適用于的電路。適用于RH較小元件。較小元件。 圖圖9-6 霍爾元件偏置電路霍爾元件偏置電路9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 2霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式 霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)，如霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)，如圖圖9-7所示。所示。圖圖9-7 霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式(a)恒流驅(qū)動(dòng)；恒流驅(qū)動(dòng)；(b)恒壓驅(qū)動(dòng)恒壓驅(qū)動(dòng)9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 3霍爾元件的連接方式霍爾元件的連接方式 為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片霍爾元件疊加的連接為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片霍爾元件疊加的連接方式。如圖方式。如圖9-8(a)

18、所示，直流供電，輸出電勢(shì)所示，直流供電，輸出電勢(shì)UH為單片的兩倍。圖為單片的兩倍。圖9-8(b)為交流供電情況，控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器為交流供電情況，控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級(jí)繞阻，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢(shì)信號(hào)疊加值輸出。的初級(jí)繞阻，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢(shì)信號(hào)疊加值輸出。圖圖9-8 霍爾元件疊加連接方式霍爾元件疊加連接方式(a)直流供電；直流供電；(b)交流供電交流供電9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 圖圖9-9 GaAs霍爾元件的輸出電路霍爾元件的輸出電路(a)線性應(yīng)用；線性應(yīng)用；(b)開(kāi)關(guān)應(yīng)用開(kāi)關(guān)應(yīng)用 4霍爾電勢(shì)的輸出電路霍爾電勢(shì)的輸出電路 霍爾元件是

19、一種四端器件，本身不帶放大器。霍爾電勢(shì)霍爾元件是一種四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱?shì)一般在毫伏數(shù)量級(jí)，在實(shí)際使用時(shí)，必須加差分放大器。一般在毫伏數(shù)量級(jí)，在實(shí)際使用時(shí)，必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測(cè)量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因霍爾元件大體分為線性測(cè)量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)，如圖此，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)，如圖9-9所示。所示。9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 如果霍爾電壓信號(hào)僅為交流輸出時(shí)，可采用圖如果霍爾電壓信號(hào)僅為交流輸出時(shí)，可采用圖9-10所示所示差動(dòng)放大電路，用電容隔掉直流信號(hào)即可。差動(dòng)放大電路，用電容隔掉直流信號(hào)即可。圖圖9-10 交流霍爾電壓放大電路交流

20、霍爾電壓放大電路9.1.5 集成霍爾器件集成霍爾器件 將霍爾元件及其放大電路、溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓電源等集將霍爾元件及其放大電路、溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓電源等集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成獨(dú)立器件成在一個(gè)芯片上構(gòu)成獨(dú)立器件集成霍爾器件集成霍爾器件，不僅尺寸緊，不僅尺寸緊湊便于使用，而且有利于減小誤差，改善穩(wěn)定性。湊便于使用，而且有利于減小誤差，改善穩(wěn)定性。 根據(jù)功能的不同，集成霍爾器件分為根據(jù)功能的不同，集成霍爾器件分為霍爾線性集成器件霍爾線性集成器件和和霍爾開(kāi)關(guān)集成器件霍爾開(kāi)關(guān)集成器件兩類。兩類。9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器9.1.5 集成霍爾器件集成霍爾器件 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器圖圖9-02 線性

21、集成霍爾器件輸出特性線性集成霍爾器件輸出特性 (a) (b) 圖圖9-01 線性集成霍爾器件線性集成霍爾器件(a)外形尺寸；外形尺寸； (b)內(nèi)部電路框圖內(nèi)部電路框圖9.1.5 集成霍爾器件集成霍爾器件 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 (a) (b)圖圖9-03 開(kāi)關(guān)型集成霍爾器件開(kāi)關(guān)型集成霍爾器件(a)外形尺寸；外形尺寸； (b)內(nèi)部電路框圖內(nèi)部電路框圖圖圖9-04 開(kāi)關(guān)型線性集成霍爾器件開(kāi)關(guān)型線性集成霍爾器件的施密特輸出特性的施密特輸出特性9.1.5 集成霍爾器件集成霍爾器件 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 (a) (b)圖圖9-05 差動(dòng)輸出線性集成霍爾器件差動(dòng)輸出線性集成霍爾器件(a)外形

22、；外形； (b)內(nèi)部電路框圖內(nèi)部電路框圖圖圖9-06 差動(dòng)輸出線性集成差動(dòng)輸出線性集成霍爾器件輸出特性霍爾器件輸出特性9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 1霍爾線性集成器件霍爾線性集成器件 霍爾線性集成器件的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范霍爾線性集成器件的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍圍內(nèi)呈線性關(guān)系，它有單端輸出和雙端輸出內(nèi)呈線性關(guān)系，它有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出)兩種電兩種電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-11所示。所示。圖圖9-11 霍爾線性集成器件霍爾線性集成器件(a)單端輸出單端輸出(UGN3501T)；(b)差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出(UGN3501M) 9.1 霍爾傳感器霍爾

23、傳感器 UGN3501T的的電源電壓電源電壓與相對(duì)靈敏度的特性如圖與相對(duì)靈敏度的特性如圖9-12所所示，由圖可知示，由圖可知Ucc高時(shí)，輸出靈敏度高。高時(shí)，輸出靈敏度高。UGN3501T的溫度的溫度與相對(duì)靈敏度的特性如圖與相對(duì)靈敏度的特性如圖9-13所示，隨著所示，隨著溫度溫度的升高，其靈的升高，其靈敏度下降。因此，若要提高測(cè)量精度，需在電路中增加溫敏度下降。因此，若要提高測(cè)量精度，需在電路中增加溫度度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 圖圖9-12 Ucc與相對(duì)靈敏度關(guān)系與相對(duì)靈敏度關(guān)系 圖圖9-13 溫度與相對(duì)靈敏度關(guān)系溫度與相對(duì)靈敏度關(guān)系 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 UGN3501T的的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)

24、強(qiáng)度與輸出電壓特性如圖與輸出電壓特性如圖9-14所示，由所示，由圖可見(jiàn)，在圖可見(jiàn)，在 0.15T磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，有較好的線性度，超出磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，有較好的線性度，超出此范圍時(shí)呈飽和狀態(tài)。此范圍時(shí)呈飽和狀態(tài)。 UGN3501的的空氣間隙空氣間隙與輸出電壓特與輸出電壓特性如圖性如圖9-15所示，由圖可見(jiàn)，輸出電壓與空氣間隙并不是線所示，由圖可見(jiàn)，輸出電壓與空氣間隙并不是線性關(guān)系。性關(guān)系。 圖圖9-14 磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓關(guān)系磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓關(guān)系 圖圖9-15 空氣間隙與輸出電壓關(guān)系空氣間隙與輸出電壓關(guān)系 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 UGN3501M為為差動(dòng)輸出差動(dòng)輸出，輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度成，輸出

25、與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性線性。UGN3501M的的1、8兩腳輸出與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，當(dāng)磁場(chǎng)的兩腳輸出與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，當(dāng)磁場(chǎng)的方向相反時(shí)，其輸出的極性也相反，如圖方向相反時(shí)，其輸出的極性也相反，如圖9-16所示。所示。圖圖9-16 UGN3501M的輸出與磁場(chǎng)方向關(guān)系的輸出與磁場(chǎng)方向關(guān)系9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 UGN3501M的的5、6、7腳接一調(diào)整電位器時(shí)，可以補(bǔ)償不腳接一調(diào)整電位器時(shí)，可以補(bǔ)償不等位電勢(shì)，并且可改善線性，但靈敏度有所下降。若允許等位電勢(shì)，并且可改善線性，但靈敏度有所下降。若允許一一定的不等位電勢(shì)輸出，則可不接電位器。輸出特性如圖定的不等位電勢(shì)輸出，則可不接電位器。輸出特性如圖9

26、-17所示。所示。圖圖9-17 UGN3501M輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系路輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系路 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 若以若以UGN3501M的中心為原點(diǎn)，磁鋼與的中心為原點(diǎn)，磁鋼與UGN3501M的頂?shù)捻斆嬷g距離為面之間距離為D，則其移動(dòng)的距離與輸出的差動(dòng)電壓如圖，則其移動(dòng)的距離與輸出的差動(dòng)電壓如圖9-18所示，由圖可以看出，在空氣間隙為零時(shí)，每移動(dòng)所示，由圖可以看出，在空氣間隙為零時(shí)，每移動(dòng)0.01英寸英寸(0.254mm)輸出為輸出為3mV，即相當(dāng)即相當(dāng)11.8mV/mm，當(dāng)采用，當(dāng)采用高能磁鋼高能磁鋼(如釤鈷磁鋼或釹鐵如釤鈷磁鋼或釹鐵硼磁鋼硼磁鋼)，每移動(dòng)，每移動(dòng)1mm時(shí)，能時(shí)，能

27、輸出輸出30mV，并且在一定距離，并且在一定距離內(nèi)呈線性。內(nèi)呈線性。 圖圖9-18 移動(dòng)距離與輸出關(guān)系移動(dòng)距離與輸出關(guān)系 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 2霍爾開(kāi)關(guān)集成器件霍爾開(kāi)關(guān)集成器件 常用的霍爾開(kāi)關(guān)集成器件有常用的霍爾開(kāi)關(guān)集成器件有UGN3000系列，其外形與系列，其外形與UGN3501T相同。相同。+圖圖9-19 霍爾開(kāi)關(guān)集成器件霍爾開(kāi)關(guān)集成器件(a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；（內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；（b）工作特性；（）工作特性；（c）工作電路；（）工作電路；（d）鎖定型器件工作特性）鎖定型器件工作特性9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器9.1.6 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 1位移測(cè)量位移測(cè)量 圖圖9-2

28、0 霍爾位移測(cè)量霍爾位移測(cè)量（a）結(jié)構(gòu)；（）結(jié)構(gòu)；（b）輸出特性）輸出特性9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 2力力(壓力壓力)測(cè)量測(cè)量 如圖如圖9-21所示，當(dāng)力所示，當(dāng)力F作用在懸臂梁上時(shí)，梁將發(fā)生變作用在懸臂梁上時(shí)，梁將發(fā)生變形，霍爾器件將有與力成正比的電壓輸出，通過(guò)測(cè)試電壓形，霍爾器件將有與力成正比的電壓輸出，通過(guò)測(cè)試電壓即可測(cè)出力的大小。力與電壓輸出有一些非線性時(shí)，可采即可測(cè)出力的大小。力與電壓輸出有一些非線性時(shí)，可采用電路或單片機(jī)軟件來(lái)補(bǔ)償。用電路或單片機(jī)軟件來(lái)補(bǔ)償。圖圖9-21 霍爾力傳感器霍爾力傳感器9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 3角度測(cè)量角度測(cè)量 如圖如圖9-22(a)所示，將霍爾

29、器件置于永久磁鐵的磁場(chǎng)中，所示，將霍爾器件置于永久磁鐵的磁場(chǎng)中，其輸出霍爾電勢(shì)其輸出霍爾電勢(shì)UH為為 cosIBKUHH圖圖9-22 霍爾角度檢測(cè)霍爾角度檢測(cè)9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 4霍爾加速度傳感器霍爾加速度傳感器 霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理及輸出特性如圖霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理及輸出特性如圖9-23所示。所示。圖圖9-23 霍爾加速度傳感器霍爾加速度傳感器9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 5霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 霍爾傳感器廣泛用于測(cè)量電流，從而可以制成電流過(guò)載檢霍爾傳感器廣泛用于測(cè)量電流，從而可以制成電流過(guò)載檢測(cè)器或過(guò)載保護(hù)裝置；在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)中，作為電流反饋元測(cè)器或過(guò)載保護(hù)裝

30、置；在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)中，作為電流反饋元件，構(gòu)成電流反饋回路；構(gòu)成電流表。件，構(gòu)成電流反饋回路；構(gòu)成電流表。 UGN3501M霍爾電流傳感器原理如圖霍爾電流傳感器原理如圖9-24所示。所示。 圖圖9-24 霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 利用利用UNG3501M霍爾電流傳感器與液晶數(shù)顯電路組成霍爾電流傳感器與液晶數(shù)顯電路組成數(shù)數(shù)顯電流表顯電流表，如圖，如圖9-25所示。所示。050A電流顯示電流顯示0.0050.0。 圖圖9-25 數(shù)顯霍爾電流表數(shù)顯霍爾電流表9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 6霍爾功率傳感器霍爾功率傳感器 利用利用 UH =KHIB關(guān)系，如果關(guān)系，如果I和和

31、B是兩個(gè)獨(dú)立變量，霍爾是兩個(gè)獨(dú)立變量，霍爾器件就是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的模擬乘法器；如果器件就是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的模擬乘法器；如果I和和B分別與某分別與某一負(fù)載兩端的電壓和通過(guò)的電流有關(guān)，則霍爾器件便可用一負(fù)載兩端的電壓和通過(guò)的電流有關(guān)，則霍爾器件便可用于負(fù)載功率測(cè)量。圖于負(fù)載功率測(cè)量。圖9-26是霍爾功率傳感器原理圖。是霍爾功率傳感器原理圖。圖圖9-26 霍爾器件測(cè)電功率霍爾器件測(cè)電功率9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 負(fù)載負(fù)載ZL所取電流所取電流i流過(guò)鐵芯線圈以產(chǎn)生交變磁感強(qiáng)度流過(guò)鐵芯線圈以產(chǎn)生交變磁感強(qiáng)度B，電源電壓電源電壓U經(jīng)過(guò)降壓電阻經(jīng)過(guò)降壓電阻R得到的交流電流得到的交流電流ic流過(guò)霍爾器流過(guò)霍爾器

32、件，則霍爾器件輸出電壓件，則霍爾器件輸出電壓UH便與電功率便與電功率p成正比，即成正比，即ttIKUtIKtUKKBiKummmBmiHcHHsinsinsinsin則霍爾電壓則霍爾電壓uH平均值為平均值為PKUIKIKUdttIKUTdtuTUPPmmmmBHcoscos212coscos2111 若將圖若將圖9-26中的電阻中的電阻R改用電容改用電容C代替，使代替，使ic移相移相90 ，則，則可測(cè)無(wú)功功率可測(cè)無(wú)功功率 Q，即，即QKIKUUPmmHsin219.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾元件還可以完成乘方和開(kāi)方功能。霍爾元件還可以完成乘方和開(kāi)方功能。 乘方運(yùn)算乘方運(yùn)算極為簡(jiǎn)單，只需將電

33、流端子和電磁鐵的線圈串極為簡(jiǎn)單，只需將電流端子和電磁鐵的線圈串聯(lián)起來(lái)，使輸入電流聯(lián)起來(lái)，使輸入電流Ii既形成磁感應(yīng)強(qiáng)度既形成磁感應(yīng)強(qiáng)度B，又給元件提供，又給元件提供控制電流控制電流Ii，結(jié)果必然得到，結(jié)果必然得到UHIi2的關(guān)系，見(jiàn)圖的關(guān)系，見(jiàn)圖9-27所示。所示。圖圖9-27 霍爾元件平方器霍爾元件平方器 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾元件霍爾元件開(kāi)方器開(kāi)方器是利用平方負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)的。在圖是利用平方負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)的。在圖9-28(a)中，設(shè)放大器的放大倍數(shù)足夠大，則可認(rèn)為放大器的中，設(shè)放大器的放大倍數(shù)足夠大，則可認(rèn)為放大器的輸入信號(hào)輸入信號(hào) 0，于是整個(gè)電路的輸入電壓，于是整個(gè)電路的輸

34、入電壓Ui和負(fù)反饋電壓和負(fù)反饋電壓UH幾乎相等，即幾乎相等，即Ui UH 。若負(fù)反饋方框是用和圖。若負(fù)反饋方框是用和圖9-27一樣一樣的霍爾平方器構(gòu)成的，即如圖的霍爾平方器構(gòu)成的，即如圖9-28(b)所示，則輸出電流所示，則輸出電流Io必必然正比于然正比于Ui的平方根，即的平方根，即故得故得20KIUUHiiiUKKUI0圖圖9-28 霍爾元件開(kāi)方器霍爾元件開(kāi)方器 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 7.霍爾高斯計(jì)霍爾高斯計(jì) 在磁場(chǎng)強(qiáng)度為在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.IT時(shí)，時(shí)，UGN3501M的典型輸出電壓為的典型輸出電壓為1400mV，因此可以制成，因此可以制成0.1T的高斯計(jì)，如圖的高斯計(jì)，如圖 9-29所

35、示。電所示。電源電壓為源電壓為816V。在。在5、6腳接一個(gè)腳接一個(gè) 20 的調(diào)零電位器，在的調(diào)零電位器，在1、8腳接一可調(diào)靈敏度的腳接一可調(diào)靈敏度的10k 電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為10k /V的電壓表。若在的電壓表。若在5、 6兩腳上各接一只兩腳上各接一只47 電阻后，再接電阻后，再接20 電位器，其線性范圍可達(dá)電位器，其線性范圍可達(dá)0.3T。圖圖929 簡(jiǎn)易高斯計(jì)簡(jiǎn)易高斯計(jì) 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 8.霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾計(jì)數(shù)裝置 UGN3501T具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場(chǎng)變具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場(chǎng)變化，因而可以檢測(cè)鐵磁物質(zhì)的有無(wú)。利用這一特性可

36、以制成化，因而可以檢測(cè)鐵磁物質(zhì)的有無(wú)。利用這一特性可以制成計(jì)數(shù)裝置，其應(yīng)用電路及計(jì)數(shù)裝置如圖計(jì)數(shù)裝置，其應(yīng)用電路及計(jì)數(shù)裝置如圖9-30所示。所示。圖圖9-30 鋼球計(jì)數(shù)裝置及電路圖鋼球計(jì)數(shù)裝置及電路圖 從圖中還可以看出，霍爾器件也是一種接近開(kāi)關(guān)。從圖中還可以看出，霍爾器件也是一種接近開(kāi)關(guān)。 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 9.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 圖圖9-31為霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置電路圖。當(dāng)磁鋼與霍爾器件重合時(shí)，霍爾為霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置電路圖。當(dāng)磁鋼與霍爾器件重合時(shí)，霍爾傳感器輸出低電平，信號(hào)經(jīng)非門整形后，形成脈沖，然后經(jīng)傳感器輸出低電平，信號(hào)經(jīng)非門整形后，形成脈沖，然后經(jīng)ADVFC32把頻率

37、轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，再送人把頻率轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，再送人ICL7106進(jìn)行轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)LCD。為。為了提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨率，可增加薄片圓周上磁鋼的個(gè)數(shù)。了提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨率，可增加薄片圓周上磁鋼的個(gè)數(shù)。圖圖931 霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 10.霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器 圖圖9-32為霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器分電盤及電路原理圖。在分為霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器分電盤及電路原理圖。在分電盤上裝幾個(gè)磁鋼電盤上裝幾個(gè)磁鋼(磁鋼數(shù)與汽缸數(shù)相對(duì)應(yīng)磁鋼數(shù)與汽缸數(shù)相對(duì)應(yīng))，在盤上裝一霍，在盤上裝一霍爾開(kāi)關(guān)器件，每當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到霍爾器件時(shí)，輸出一個(gè)脈沖，爾開(kāi)關(guān)器

38、件，每當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到霍爾器件時(shí)，輸出一個(gè)脈沖，經(jīng)經(jīng)放大升壓后送人點(diǎn)火線圈。放大升壓后送人點(diǎn)火線圈。圖圖9-32 霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 11霍爾電機(jī)霍爾電機(jī) 霍爾無(wú)刷直流電機(jī)工作原理如圖霍爾無(wú)刷直流電機(jī)工作原理如圖9-33所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由磁鋼制成所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由磁鋼制成(一對(duì)磁極一對(duì)磁極)，定子由四個(gè)極靴繞上線圈，定子由四個(gè)極靴繞上線圈W1、W2、W3、W4組成，各個(gè)線組成，各個(gè)線圈都通過(guò)相應(yīng)的三極管圈都通過(guò)相應(yīng)的三極管VT1VT4供電。四個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾器件供電。四個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾器件H1H4配配置在四個(gè)極靴電極上。可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙極性、四狀態(tài)電子換向電路

39、。置在四個(gè)極靴電極上。可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙極性、四狀態(tài)電子換向電路。圖圖933 霍爾直流無(wú)刷霍爾直流無(wú)刷電機(jī)工作原理圖電機(jī)工作原理圖9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻9.2.1 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 某些材料某些材料(如霍爾元件如霍爾元件)的電阻值受磁場(chǎng)的影響而改變的的電阻值受磁場(chǎng)的影響而改變的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電磁敏電阻阻。 在外加磁場(chǎng)作用下，某些載流子受到的洛倫茲力比霍爾在外加磁場(chǎng)作用下，某些載流子受到的洛倫茲力比霍爾電場(chǎng)作用力大時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就偏向洛倫茲力的方向；電場(chǎng)作用力大時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就偏向洛倫茲力的方向；這些載流子從

40、一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所通過(guò)的路徑就要這些載流子從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所通過(guò)的路徑就要比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的路徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻值。電阻的增值比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的路徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻值。電阻的增值可以用載流子在磁場(chǎng)作用下的可以用載流子在磁場(chǎng)作用下的平均偏移角平均偏移角 霍爾角霍爾角來(lái)衡來(lái)衡量，平均偏移角量，平均偏移角 與磁場(chǎng)與磁場(chǎng)B及載流子遷移率及載流子遷移率 之間有如下關(guān)系之間有如下關(guān)系tan = B (9-21)9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)(物理物理)方程方程為為 B= 0(1+0.273 2B2) (9-22)式中，式中， B一存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為一存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率

41、；時(shí)的電阻率； 0一無(wú)磁場(chǎng)時(shí)一無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻率；的電阻率； 一電子遷移率；一電子遷移率；B一磁感應(yīng)強(qiáng)度。電阻率的變化一磁感應(yīng)強(qiáng)度。電阻率的變化為為= B0 ，則電阻率的相對(duì)變化為，則電阻率的相對(duì)變化為/ 0=0.273 2B2=K 2B2 (9-23) 物理磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng) 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 幾何磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng) 半導(dǎo)體磁敏電阻半導(dǎo)體磁敏電阻 磁敏電阻磁敏電阻 強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻9.2.2 半導(dǎo)體磁敏電阻半導(dǎo)體磁敏電阻 利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)制成的磁敏電阻可以有如圖利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)制成的磁敏電阻可以有如圖9-34所示的

42、幾種形式，這些形狀不同的半導(dǎo)體薄片都處在垂直所示的幾種形式，這些形狀不同的半導(dǎo)體薄片都處在垂直于紙面向外的磁場(chǎng)中，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡都將向左前方偏移，于紙面向外的磁場(chǎng)中，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡都將向左前方偏移，因此出現(xiàn)圖中箭頭所示的路徑因此出現(xiàn)圖中箭頭所示的路徑(箭頭代表電子運(yùn)動(dòng)方向箭頭代表電子運(yùn)動(dòng)方向)。圖圖9-34 半導(dǎo)體磁敏電阻元件內(nèi)電流分布半導(dǎo)體磁敏電阻元件內(nèi)電流分布(a)縱長(zhǎng)形器件縱長(zhǎng)形器件;(b)橫長(zhǎng)形器件橫長(zhǎng)形器件;(c)科比諾圓盤科比諾圓盤;(d)柵格式器件柵格式器件9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 半導(dǎo)體磁敏電阻效應(yīng)與器件幾何形狀半導(dǎo)體磁敏電阻效應(yīng)與器件幾何形狀(lw)之間關(guān)系為之間關(guān)系

43、為/ 0K( B)2 1 f(lw ) (9-24)式中，式中，l，W，一分別為器件的長(zhǎng)和寬；，一分別為器件的長(zhǎng)和寬；f (lw)一一形狀效應(yīng)系數(shù)形狀效應(yīng)系數(shù)。 對(duì)于以上討論的四種形狀的磁敏電阻，其形狀效應(yīng)特性可表示為圖對(duì)于以上討論的四種形狀的磁敏電阻，其形狀效應(yīng)特性可表示為圖9-35(a)所示曲線；磁敏電阻的特性所示曲線；磁敏電阻的特性(靈敏度靈敏度)如圖如圖9-35(b)；應(yīng)用電路多接成；應(yīng)用電路多接成分壓形式，如圖分壓形式，如圖9-35(c)。圖圖9-35 半導(dǎo)體磁敏電阻特性及應(yīng)用電路半導(dǎo)體磁敏電阻特性及應(yīng)用電路 9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 半導(dǎo)體磁敏電阻的半導(dǎo)體磁敏電阻的材料材料

44、與霍爾元件的要求相似，通常也與霍爾元件的要求相似，通常也是是InSb和和InAs等等(當(dāng)當(dāng) B 1時(shí)，時(shí)，RBR0B進(jìn)入線性區(qū)，若取進(jìn)入線性區(qū)，若取B=0.3T，要滿足，要滿足 B1，則，則 3.3 104cm2Vs，由此選擇材，由此選擇材料料)，片的，片的厚度厚度也是盡可能小。實(shí)用的半導(dǎo)體磁敏電阻制成也是盡可能小。實(shí)用的半導(dǎo)體磁敏電阻制成柵格式柵格式，它由基片、電阻條和引線三個(gè)主要部分組成?；?，它由基片、電阻條和引線三個(gè)主要部分組成?；址Q襯底，一般用片又稱襯底，一般用 0.10.5mm厚的高頻陶瓷片或玻璃厚的高頻陶瓷片或玻璃片，也可以是硅片經(jīng)氧化處理后作基片；基片上面利用薄片，也可以是硅

45、片經(jīng)氧化處理后作基片；基片上面利用薄膜技術(shù)制作一層半導(dǎo)體電阻層，其典型厚度為膜技術(shù)制作一層半導(dǎo)體電阻層，其典型厚度為20 m；然后；然后用光刻的方法刻出若干條與電阻方向垂直排列的金屬條用光刻的方法刻出若干條與電阻方向垂直排列的金屬條(短短路條路條)，把電阻層分割成等寬的電阻柵格，其橫長(zhǎng)比，把電阻層分割成等寬的電阻柵格，其橫長(zhǎng)比w/l40；磁敏電阻就是由這些條形磁敏電阻串聯(lián)而成的，初；磁敏電阻就是由這些條形磁敏電阻串聯(lián)而成的，初始電阻約為始電阻約為100 ，柵格金屬條在，柵格金屬條在100根以上。通常用非鐵磁根以上。通常用非鐵磁質(zhì)如質(zhì)如50100 m的硅鋁絲或的硅鋁絲或1020 m的金線作磁敏電

46、阻的金線作磁敏電阻內(nèi)引線，而用薄紫銅片作外引線。內(nèi)引線，而用薄紫銅片作外引線。 9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 除了以上柵格式之外，還有一種由除了以上柵格式之外，還有一種由InSb和和NiSb構(gòu)成的共構(gòu)成的共晶式半導(dǎo)體晶式半導(dǎo)體(在拉制在拉制 InSb單晶時(shí)，加入單晶時(shí)，加入1的的Ni，可得，可得InSb和和NiSb的共晶材料的共晶材料)磁敏電阻。這種共晶里，磁敏電阻。這種共晶里，NiSb呈具有一呈具有一定排列方向的針狀晶體，它的導(dǎo)電性好，針的直徑在定排列方向的針狀晶體，它的導(dǎo)電性好，針的直徑在1 m左左右，長(zhǎng)約右，長(zhǎng)約100 m，許多這樣的針橫向排列，代替了金屬條起，許多這樣的針橫向排列，

47、代替了金屬條起短路霍爾電壓的作用，見(jiàn)圖短路霍爾電壓的作用，見(jiàn)圖9-36。由于。由于InSb的溫度特性不的溫度特性不佳，往往在材料中加人一些佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成摻雜的共晶，型碲或硒，形成摻雜的共晶，但靈敏度要損失一些。但靈敏度要損失一些。 圖圖9-36 共晶式半導(dǎo)體磁敏電阻共晶式半導(dǎo)體磁敏電阻9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻9.2.3 強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻 具有高磁導(dǎo)率的金屬稱為具有高磁導(dǎo)率的金屬稱為強(qiáng)磁性金屬?gòu)?qiáng)磁性金屬。強(qiáng)磁性金屬處于磁。強(qiáng)磁性金屬處于磁場(chǎng)中時(shí)，主要產(chǎn)生兩種效應(yīng)：場(chǎng)中時(shí)，主要產(chǎn)生兩種效應(yīng)：強(qiáng)制磁阻效應(yīng)強(qiáng)制磁阻效應(yīng)和和定向磁阻效定向磁阻

48、效應(yīng)應(yīng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)強(qiáng)度H大于某一磁場(chǎng)大于某一磁場(chǎng)H1的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)制磁場(chǎng)的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)制磁場(chǎng)效應(yīng)，電阻率隨效應(yīng)，電阻率隨H增加而下降，負(fù)的磁阻效應(yīng)。當(dāng)增加而下降，負(fù)的磁阻效應(yīng)。當(dāng)HH 之后，磁滯回線重合，這時(shí)之后，磁滯回線重合，這時(shí)輸出電壓變化量輸出電壓變化量 U才和才和H、 有確定關(guān)系。上述有確定關(guān)系。上述H 稱為稱為“可逆磁場(chǎng)強(qiáng)可逆磁場(chǎng)強(qiáng)度度”。在。在H HHs之后才之后才成成為水平直線，此時(shí)為水平直線，此時(shí) U與與H無(wú)關(guān)而僅僅取決于無(wú)關(guān)而僅僅取決于 ，此處，此處Hs稱為稱為“飽和磁飽和磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度強(qiáng)度”。但。但H不能大于某一值不能大于某一值H1。9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻

49、 根據(jù)上述特點(diǎn)，若采用較強(qiáng)的磁場(chǎng)使得根據(jù)上述特點(diǎn)，若采用較強(qiáng)的磁場(chǎng)使得HsHHl，并且令，并且令磁場(chǎng)的方向平行于圖磁場(chǎng)的方向平行于圖9-37的紙面旋轉(zhuǎn)，則分壓輸出的紙面旋轉(zhuǎn)，則分壓輸出UO將只取將只取決于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)角決于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)角 ，運(yùn)用這一原理就能構(gòu)成，運(yùn)用這一原理就能構(gòu)成無(wú)滑點(diǎn)的電位器無(wú)滑點(diǎn)的電位器。若磁場(chǎng)連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，則若磁場(chǎng)連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，則UO將呈將呈正弦曲線正弦曲線變化，于是便可變化，于是便可構(gòu)成構(gòu)成正弦信號(hào)發(fā)生器正弦信號(hào)發(fā)生器或或轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器。圖圖9-38 金屬磁敏電阻特性金屬磁敏電阻特性9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻9.2.4 磁敏電阻傳感器的應(yīng)用磁敏電阻傳感器的應(yīng)用

50、 9.2.4.1 磁敏電阻器件磁敏電阻器件 磁敏電阻器件一般在襯底上作兩個(gè)相互串聯(lián)的磁敏電阻，磁敏電阻器件一般在襯底上作兩個(gè)相互串聯(lián)的磁敏電阻，或四個(gè)磁敏電阻接成電橋形式，以便用于不同場(chǎng)合，其線路或四個(gè)磁敏電阻接成電橋形式，以便用于不同場(chǎng)合，其線路形式如圖形式如圖9-39所示。所示。圖圖9-39 磁敏電阻線路結(jié)構(gòu)磁敏電阻線路結(jié)構(gòu) 磁敏電阻的阻值為磁敏電阻的阻值為100 到幾到幾k ，工作電壓一般在，工作電壓一般在12V以下，以下，頻率特性好頻率特性好 (可達(dá)可達(dá)MHz)，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低(信噪比高信噪比高)。 9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻n1.MR214A/223A

51、磁敏電阻的電阻值為磁敏電阻的電阻值為100 到幾到幾k ，工作電壓一般在，工作電壓一般在12V以下，頻率以下，頻率特性好特性好 (可達(dá)可達(dá)MHz)，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低(信噪比高信噪比高)。 圖圖9-40 MR214A/223A外形及等效電路外形及等效電路9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻n2DMI106B(索尼索尼) DMI106B是在硅基板上附著強(qiáng)磁性體，其外形及等效電路如圖是在硅基板上附著強(qiáng)磁性體，其外形及等效電路如圖9-41所所示。示。圖圖941 DM106B的外形及等效電路的外形及等效電路 9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 DMI106B在在8000A/m磁場(chǎng)強(qiáng)度下工

52、作，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度下工作，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)場(chǎng)。當(dāng)Ucc=5V時(shí)，輸出可達(dá)時(shí)，輸出可達(dá) 80mV，功耗，功耗11W，其溫度特性，其溫度特性如圖如圖9-42所示。特性參數(shù)見(jiàn)教材表所示。特性參數(shù)見(jiàn)教材表9-8。圖圖942 DM106B的溫度特性的溫度特性9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻n3FPC/FPA系列系列 FPC/FPA(田村田村)系列內(nèi)部有放大器、整形電路系列內(nèi)部有放大器、整形電路(FPA并有發(fā)光二極管作并有發(fā)光二極管作工作狀態(tài)指示工作狀態(tài)指示)，其特點(diǎn)是信噪比高，具有良好的頻率特性，可用于位，其特點(diǎn)是信噪比高，具有良好的頻率特性，可用于位置、旋轉(zhuǎn)速度的檢出，也可作接近開(kāi)關(guān)。其輸出電

53、壓與間隙特性如圖置、旋轉(zhuǎn)速度的檢出，也可作接近開(kāi)關(guān)。其輸出電壓與間隙特性如圖9-43所示。它們的特性參數(shù)見(jiàn)教材表所示。它們的特性參數(shù)見(jiàn)教材表9-9。圖圖943 FPC/FPA系列系列輸出電壓與間隙特性輸出電壓與間隙特性9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻n4M413A/414A M413A/414A是由四個(gè)磁阻元件組成的器件，有兩相輸出，可測(cè)出旋是由四個(gè)磁阻元件組成的器件，有兩相輸出，可測(cè)出旋轉(zhuǎn)方向、角度等參數(shù)，其元件配置、外形及等效電路如圖轉(zhuǎn)方向、角度等參數(shù)，其元件配置、外形及等效電路如圖9-44所示。所示。圖圖944 M413A/414A元件配置、外形及等效電路元件配置、外形及等效電路9.2

54、9.2 磁敏電阻磁敏電阻nM413A/414A接線與輸出波形如圖接線與輸出波形如圖9-45所示。所示。圖圖945 M413A/414A接線及輸出波形圖接線及輸出波形圖9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻n5BS系列系列 BS系列系列(圖形識(shí)別傳感器圖形識(shí)別傳感器)磁阻元件除用來(lái)檢測(cè)磁性體的位置及旋轉(zhuǎn)磁阻元件除用來(lái)檢測(cè)磁性體的位置及旋轉(zhuǎn)外，主要用于紙幣識(shí)別及磁性墨水印刷物識(shí)別等。在元件表面采用特殊外，主要用于紙幣識(shí)別及磁性墨水印刷物識(shí)別等。在元件表面采用特殊金屬層，具有良好的耐磨性。識(shí)別紙幣的波形如圖金屬層，具有良好的耐磨性。識(shí)別紙幣的波形如圖9-46(a)所示，如經(jīng)過(guò)所示，如經(jīng)過(guò)有磁性油墨印刷的有

55、磁性油墨印刷的“1000”字樣時(shí)，輸出信號(hào)很大，若是偽幣則無(wú)此信字樣時(shí)，輸出信號(hào)很大，若是偽幣則無(wú)此信號(hào)。這種傳感器同樣可檢測(cè)用磁性墨水印刷的標(biāo)簽和磁尺上的信號(hào)。它號(hào)。這種傳感器同樣可檢測(cè)用磁性墨水印刷的標(biāo)簽和磁尺上的信號(hào)。它的外形如圖的外形如圖9-46(b)，特性參數(shù)見(jiàn)教材表，特性參數(shù)見(jiàn)教材表9-10。圖圖946 BS外形及紙幣外形及紙幣真?zhèn)巫R(shí)別輸出波形真?zhèn)巫R(shí)別輸出波形9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻9.2.4.2 應(yīng)用買例應(yīng)用買例 1.非接觸式磁阻角度傳感器非接觸式磁阻角度傳感器 非接觸式角度傳感器的外形及工作原理如圖非接觸式角度傳感器的外形及工作原理如圖 9-47所示。它是由兩個(gè)所示。它

56、是由兩個(gè)半環(huán)形的磁阻元件組成，半圓形磁鐵與磁阻元件之間的間隙為半環(huán)形的磁阻元件組成，半圓形磁鐵與磁阻元件之間的間隙為0.2mm左右，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵則以差動(dòng)方式將磁場(chǎng)加于兩個(gè)磁阻元件左右，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵則以差動(dòng)方式將磁場(chǎng)加于兩個(gè)磁阻元件上，可獲得上，可獲得50 (機(jī)械角度機(jī)械角度)的線性范圍。其輸出電壓與轉(zhuǎn)角間特性如的線性范圍。其輸出電壓與轉(zhuǎn)角間特性如圖圖9-48所示。所示。 圖圖9-47 角度傳感器的外形及工作原理圖圖角度傳感器的外形及工作原理圖圖 9-48 角度傳感器輸出特性角度傳感器輸出特性9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 這種非接觸式這種非接觸式磁阻角度傳感器磁阻角度傳感器由于沒(méi)

57、有機(jī)械摩擦，所以由于沒(méi)有機(jī)械摩擦，所以工作壽命長(zhǎng)；裝置上安裝了滾珠軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)損耗也較小。工作壽命長(zhǎng)；裝置上安裝了滾珠軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)損耗也較小。這種傳感器的輸出電壓為這種傳感器的輸出電壓為 由圖由圖9-48可以看出，其輸出電壓較大，在可以看出，其輸出電壓較大，在100 范圍內(nèi)，輸范圍內(nèi)，輸出線性電壓大于出線性電壓大于2V。inoutUMRMRMRU2129.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 2磁阻式旋轉(zhuǎn)傳感器磁阻式旋轉(zhuǎn)傳感器 磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器可以檢測(cè)磁性齒軸、齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速，若采用四磁磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器可以檢測(cè)磁性齒軸、齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速，若采用四磁阻元件傳感器，還能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的方向。阻元件傳感器，還能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)

58、的方向。 采用雙元件磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器的工作原理如圖采用雙元件磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器的工作原理如圖9-49所示。當(dāng)齒輪的齒頂所示。當(dāng)齒輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)MRl，而齒根對(duì)準(zhǔn)，而齒根對(duì)準(zhǔn)MR2時(shí)，時(shí)， MRl的電阻增加，而的電阻增加，而MR2的電阻不變，的電阻不變，則則Uout Uin/2；另外，當(dāng)齒輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)；另外，當(dāng)齒輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)MR2 ，而齒根對(duì)準(zhǔn)，而齒根對(duì)準(zhǔn)MRl時(shí)，則時(shí)，則Uout Uin/2；當(dāng)齒頂；當(dāng)齒頂(或齒根或齒根)在在MRl和和MR2之間時(shí)，之間時(shí)， Uout Uin/2，其輸出，其輸出電壓波形見(jiàn)圖電壓波形見(jiàn)圖9-49。圖圖9-49 旋轉(zhuǎn)傳感器的工作原理旋轉(zhuǎn)傳感器的工作原理 9.2 9.2

59、 磁敏電阻磁敏電阻 采用采用四元件磁阻傳感器四元件磁阻傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)磁阻元件與齒輪齒間間隔之間時(shí)，傳感器內(nèi)磁阻元件與齒輪齒間間隔之間應(yīng)滿足一定關(guān)系，如圖應(yīng)滿足一定關(guān)系，如圖9-50所示。所示。 PA(1 2)=PB(1 2)=T/2；PAB=T/4式中，式中，PA (1 2) A相元件相元件MRAl和和MRA2的間隔；的間隔；PB (1 2) B相元件相元件MRBl和和MRB2的間隔；的間隔；PABA相元件相元件MRAl和和B相元件相元件MRBl的間隔；的間隔；T齒輪的齒距。齒輪的齒距。 圖圖9-50 內(nèi)磁阻元件旋轉(zhuǎn)傳感器內(nèi)磁阻元件旋轉(zhuǎn)傳感器 (a)電路圖；電路圖；(b)圖形圖圖形圖 由于

60、由于A相與相與B相輸出波形相位差相輸出波形相位差90 ，所以很容易檢測(cè)，所以很容易檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)方向和和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)范圍很寬，很適用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)范圍很寬，很適用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻 3磁阻式圖形識(shí)別傳感器磁阻式圖形識(shí)別傳感器 圖形識(shí)別傳感器能檢測(cè)紙片、紙幣等上面的磁性圖形或記圖形識(shí)別傳感器能檢測(cè)紙片、紙幣等上面的磁性圖形或記號(hào)，輸出相對(duì)應(yīng)于圖形的信號(hào)波形。由于磁性圖形印刷在紙?zhí)?，輸出相?duì)應(yīng)于圖形的信號(hào)波形。由于磁性圖形印刷在紙片上，所以檢測(cè)信號(hào)十分微弱片上，所以檢測(cè)信號(hào)十分微弱(比旋轉(zhuǎn)傳感器小三個(gè)數(shù)量比旋轉(zhuǎn)傳感器小三個(gè)數(shù)量級(jí)級(jí))，需