第9章磁敏式傳感器

霍爾傳感器磁敏電阻磁敏二極管、磁敏晶體管磁敏式傳感器磁電式傳感器種類：變磁通式，也稱磁阻式，由被測物體運(yùn)動改變磁阻，線圈與磁鐵之間沒有相對運(yùn)動； 恒磁通式，線圈與磁鐵之間存在相對運(yùn)動，分為動圈式和動鐵式。原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在任何電路或與磁通φ交鏈的w匝線圈中，當(dāng)φ隨時間變化時，將感應(yīng)出與磁通變化速率成正比的電壓或電勢：磁電式傳感器例1：閉磁路變磁通式由被測物體運(yùn)動引起磁通量變化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢。頻數(shù)轉(zhuǎn)速偏心量振動量磁電式傳感器例2：動鐵恒磁通式，包括動圈式和動鐵式，線圈和磁鐵間存在相對運(yùn)動。B0——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；L——每匝線圈平均長度；W——線圈匝數(shù)；v——相對運(yùn)動速度構(gòu)成線速度傳感器磁電式傳感器例3：電磁流量計——在導(dǎo)電的、非磁性液體外部建立激勵磁場，將產(chǎn)生與磁場和流動方向垂直的電動勢。

此方法適用于導(dǎo)電、非磁性液體，輸出與液體、密度、溫度、粘滯度等無關(guān)，可用于血液流量測量。液體流動方向由外到內(nèi)磁電式傳感器

置于磁場中的載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。霍爾式傳感器動畫效果

霍爾式傳感器基本原理載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成電場E，當(dāng)載流子受到的電場力與洛倫茲力達(dá)到動態(tài)平衡時，累積電荷形成穩(wěn)定的電勢UH

。其中——霍爾常數(shù)

——磁場與元件平面法線方向的夾角

d——與磁場方向一致的霍爾元件厚度 由得知，d越小，越大，則感生電動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾系數(shù)很大的N型半導(dǎo)體材料制作的薄片，厚度微米級?；魻柺絺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

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?；魻柺絺鞲衅鞯牟牧匣魻栐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(yùn)算放大器放大，以獲得較大的UH。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?；魻柤蓚鞲衅饔芯€性型和開關(guān)型兩種?；魻柺絺鞲衅鞯臏y量電路線性型霍爾集成傳感器將霍爾元件、恒流源和線性放大器等集成在一塊芯片上，輸出電壓較高（伏級），使用方便。線性型霍爾式傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器將霍爾元件、穩(wěn)壓器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在一塊芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度達(dá)到或超過工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出變?yōu)楦唠娖健ｉ_關(guān)型霍爾式傳感器應(yīng)用：磁場強(qiáng)度傳感器（高斯計）；電流、電壓傳感器；位移、壓力、加速度傳感器等。特點：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(dá)1000:1)、壽命長等?；魻柺睫D(zhuǎn)速測量傳感器——根據(jù)霍爾傳感器的輸出脈沖數(shù)可計算出車輪轉(zhuǎn)速霍爾式傳感器的應(yīng)用

霍爾器件在x方向上長度為b，x0是位于氣隙下的初始長度。此傳感器常采用差動結(jié)構(gòu)?；魻柺轿灰苽鞲衅鳓UH0計數(shù)傳感器霍爾式計數(shù)傳感器霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾電流傳感器霍爾電壓傳感器

目前汽車中大部分使用的還是接觸型的傳感器，非接觸型傳感器的價格不占優(yōu)勢，但它卻具有環(huán)保、耐用、抗震、易安裝等接觸型傳感器無法匹敵的優(yōu)點，向非接觸傳感方向發(fā)展將是大勢所趨。在非接觸型傳感器中，憑借著高可靠性等優(yōu)勢，霍爾效應(yīng)傳感器(HallEffectSensor)在汽車領(lǐng)域贏得廣泛的應(yīng)用空間。如檢測齒輪齒速、油門位置、尾氣再循環(huán)閥位置、馬達(dá)與傳動的速度和位置、用于防鎖閘和牽引系統(tǒng)的車輪速度傳感器、腳踏板、座椅安全帶、剎車與離合器的位置、車鎖、車窗及油耗等諸多方面。

當(dāng)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(qiáng)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。式中：ρ0——零磁場時的電阻率；

Δρ——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時電阻率的變化量；

K——比例因子；

μ——電子遷移率；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L，b——分別為磁敏電阻的長（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應(yīng)系數(shù)。磁敏電阻磁阻效應(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。與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：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)磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（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)）。磁敏電阻的結(jié)構(gòu)和特性主要特性：磁電特性：電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負(fù)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。磁敏電阻的結(jié)構(gòu)和特性接近開關(guān)和無觸點開關(guān)、計數(shù)器；無接觸線位移傳感器；力、加速度等參數(shù)的測量；精密傾斜角測量等。R1、R2磁敏電阻位移傳感器磁敏電阻的應(yīng)用

線性、角度、旋轉(zhuǎn)位移傳感器，可以測量磁場強(qiáng)度。磁敏二極管、三極管P型和N型電極由高阻材料制成，I為本征區(qū)。I區(qū)的r面粗糙，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r區(qū)），目的是使電子－空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失；另一面比較光滑。磁敏二極管磁場強(qiáng)度的改變引起電流發(fā)生變化，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場H+作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合速度加快，所形成的電流減??；當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場H－作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向I區(qū)偏轉(zhuǎn)，電子和空穴復(fù)合速度減慢，所形成的電流增大。磁敏二極管工作原理

如果外加正向偏壓，即P區(qū)接正，N區(qū)接負(fù)，那么將會有大量空穴從P區(qū)注入到I區(qū)，同時也有大量電子從N區(qū)注入到I區(qū)，如將這樣的磁敏三極管置于磁場中，則注入的電子和空穴都要受到洛侖茲力的作用而向一個方向偏轉(zhuǎn)，當(dāng)磁場方向使電子和空穴向r面偏轉(zhuǎn)時，它們將因復(fù)合而消失，因而電流很??；當(dāng)磁場方向使電子和空穴向光滑面偏轉(zhuǎn)時它們的復(fù)合率變小，電流就大。磁敏三極管工作原理由此可見，高復(fù)合面與光滑面的復(fù)合率差別愈大，磁敏三極管的靈敏度也就愈高。磁敏三極管在不同的磁場強(qiáng)度和方向下的伏安特性曲線不同。利用這些特性曲線就能根據(jù)某一偏壓下的電流值來確定磁場的大小和方向。

在正反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)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(dāng)受到負(fù)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。(1)靈敏度高，磁敏三極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉，更適合于測量弱磁場。(2)具有正反磁靈敏度，這一點是磁阻器件所欠缺的。(3)