傳感器檢測技術(shù)磁敏傳感器 (2)課件

磁敏傳感器

通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象?；舳?yīng)原理圖+I+++++++++++－－－－－－ＢlwdVHKH—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(guān)，表示單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強度B的方向與電流方向夾角為α，霍耳電勢應(yīng)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。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。可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率(或電導率)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(guān)，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(guān)。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，如果能仔細設(shè)計氣隙寬度，選用合適的元件和導磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。

霍爾傳感器的應(yīng)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?；魻杺鞲衅靼雌漭敵鎏匦苑譃榫€性輸出型和開關(guān)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(guān)系。用于磁場檢測等場合。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原理：利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成，能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。特點：霍耳開關(guān)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(yīng)惡劣環(huán)境。2)霍耳開關(guān)集成傳感器

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。

霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(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H霍耳傳感器的儀器優(yōu)點：

(1)體積小，結(jié)構(gòu)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(yīng)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克服。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，它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)

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，則其電阻值會變化。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若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)強度；ρ——材料在磁感應(yīng)強度為Ｂ時的電阻率；ρ0——材料在磁感應(yīng)強度為0時的電阻率；μ——載流子的遷移率。

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、又提高了磁阻器件的靈敏度。LWBBII

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b磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的長度很短，避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級管的PN結(jié)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(gòu)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，若r表示本征，則其PN結(jié)實際上是由Pr結(jié)和Nr結(jié)共同組成。以2ACM—1A為例，磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu);(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(shè)置高復(fù)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(fù)合表面，構(gòu)成磁敏二極管的管芯。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(fù)合區(qū)磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

磁敏三極管的結(jié)構(gòu)：NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導體上，用合金法或擴散法形成三個結(jié)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導體元件。在長基NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號a)結(jié)構(gòu)b)符號rN+N+ceH-H+P+bceb區(qū)的側(cè)面制成一個復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。i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-運輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)12H－H＋磁電特性：磁敏三極管最重要的工作特性。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用磁敏管