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，由被測物體運動改變磁阻，線圈與磁鐵之間沒有相對運動； 恒磁通式，線圈與磁鐵之間存在相對運動，分為動圈式和動鐵式。原理：根據(jù)電磁感應定律，在任何電路或與磁通φ交鏈的w匝線圈中，當φ隨時間變化時，將感應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動引起磁通量變化，在線圈中產(chǎn)生感應電勢。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動。B0——工作氣隙磁感應強度；L——每匝線圈平均長度；W——線圈匝數(shù)；v——相對運動速度構成線速度傳感器磁電式傳感器例3：電磁流量計——在導電的、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。

此方法適用于導電、非磁性液體，輸出與液體、密度、溫度、粘滯度等無關，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體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導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?；魻柺絺鞲衅鲃赢嬓Ч?/p>

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，當載流子受到的電場力與洛倫茲力達到動態(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型半導體材料制作的薄片，厚度微米級?；魻柺絺鞲衅鞯慕Y構霍爾元件由霍爾片、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。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€性型和開關型兩種。霍爾式傳感器的測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。當外加磁場強度達到或超過工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出變?yōu)楦唠娖?。開關型霍爾式傳感器應用：磁場強度傳感器（高斯計）；電流、電壓傳感器；位移、壓力、加速度傳感器等。特點：結構簡單、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?；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構?；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，霍爾效應傳感器(HallEffectSensor)在汽車領域贏得廣泛的應用空間。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。

當一載流半導體置于磁場中，其電阻值會隨磁場而變化的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。在磁場作用下，半導體片內(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)為半導體片的電阻變化。式中：ρ0——零磁場時的電阻率；

Δρ——磁感應強度為B時電阻率的變化量；

K——比例因子；

μ——電子遷移率；

B——磁感應強度；

L，b——分別為磁敏電阻的長（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應系數(shù)。磁敏電阻磁阻效應與材料性質(zhì)及幾何形狀有關，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。與霍爾效應的區(qū)別：霍爾電勢是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。磁阻效應磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（NiSb）等半導體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導體材料，也可在半導體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結構）。磁敏電阻的結構和特性主要特性：磁電特性：電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負無關；溫度特性：溫度系數(shù)影響大；頻率特性：工作頻率范圍大；磁感應的范圍比霍爾元件大。磁敏電阻的結構和特性接近開關和無觸點開關、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用

線性、角度、旋轉(zhuǎn)位移傳感器，可以測量磁場強度。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，設置成高復合區(qū)（r區(qū)），目的是使電子－空穴對易于在粗糙表面復合而消失；另一面比較光滑。磁敏二極管磁場強度的改變引起電流發(fā)生變化，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。當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)，電子和空穴復合速度加快，所形成的電流減??；當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，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)，當磁場方向使電子和空穴向r面偏轉(zhuǎn)時，它們將因復合而消失，因而電流很?。划敶艌龇较蚴闺娮雍涂昭ㄏ蚬饣嫫D(zhuǎn)時它們的復合率變小，電流就大。磁敏三極管工作原理由此可見，高復合面與光滑面的復合率差別愈大，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。當受到正向磁場(H+)作用時，載流子向發(fā)射極一側偏轉(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)