第七章磁電式傳感器裝置

1、掌握霍爾效應、磁阻效應及磁電感應式傳感器、霍爾傳感器、磁敏電阻器、磁敏二極管和磁敏三極管的工作原理。2、熟悉霍爾器件主要參數(shù)、電磁特性、類型、測量電路與連接方式。3、了解各種磁電式傳感器的結構及應用。

本章要求：第七章：磁電式傳感器一、磁電式傳感器——根據(jù)法拉第電磁感應定律，通過磁電作用將被測非電量轉換為電信號的裝置。

二、種類：

1、根據(jù)制作磁電式傳感器的材料分類：有導體、半導體、磁性體和超導體磁電式傳感器；

2、利用導體和磁場的相對運動產生感應電動勢的電磁感應原理可制成各種類型磁電式傳感器和磁記錄裝置；

3、利用強磁性體的各向異性磁阻效應，可制成強磁性金屬磁敏器件；

4、利用半導體材料的霍爾效應可制成霍爾器件；

5、利用半導體材料的磁阻效應可制成磁敏電阻、磁敏二極管和磁敏三極管。7.1磁電感應式傳感器一、工作原理：根據(jù)法拉第電磁感應定律，N匝線圈在磁場中切割磁力線運動或穿過線圈的磁通量變化時線圈中產生的感應電動勢e為：①、進入線圈的磁通φ越大，dφ也越大；②、如果相對速度越快，即v或ω越大，則αt越小，越大；③、與線圈匝數(shù)N成正比，N越大，e也越大。根據(jù)實現(xiàn)磁通φ變化的方法不同，磁電感應式傳感器有恒磁通的動圈式與動鐵式，有變磁通（變磁阻）的開磁路式和閉磁路式。磁電感應式傳感器的直接應用是用來測線速度或角速度：e=-NBLve=-NBSω式中：B—磁感應強度（T）L—每匝線圈平均長度（m），

S—線圈的截面積（m2）磁電感應式傳感器是結構型傳感器，只要結構參數(shù)N、B、L、S為定值，則感應電動勢與速度v和角速度ω成正比。二、磁電感應式傳感器的結構與要求：1、結構：磁路系統(tǒng)，線圈；如圖7—1所示。2、基本要求：（1）工作氣隙工作氣隙大，線圈窗口面積就大，線圈匝數(shù)就多，傳感器的靈敏度就高。但氣隙大，磁路系統(tǒng)的磁感應強度就低，傳感器靈敏度也越低，而且氣隙大易造成氣隙磁場分布不均勻，導致傳感器輸出特性非線性。為了使傳感器具有較高的靈敏度和較好的線性度，必須保證足夠大的窗口面積所需加工安裝精度的前提下，盡量減小工作氣隙d。工作氣隙寬度也與傳感器的靈敏度、線性度有關。越大，靈敏度越高，線性度越好，但傳感器體積和重量就較大，因此，一般取。（2）磁路系統(tǒng)：選用永久磁鐵，減小傳感器體積。永久磁鐵有以下幾個參數(shù)：矯頑磁力Hc，剩余磁感應強度Br，最大磁能積（BH）m，磁化曲線B=f（H），磁能積曲線（BH）=f（B），常用材料為鋁鎳鈷永磁合金，其Hc和Br都較大，穩(wěn)定性高，使用最廣泛；（3）線圈組件：由線圈和骨架組成。骨架由金屬材料制成，起到與磁場發(fā)生相對運動時產生電磁阻尼作用。但非線性誤差增加，可改用非金屬（有機玻璃）骨架。有時為減小尺寸，也可不用線圈骨架；（4）為補償溫度誤差及線圈感應電流的磁場效應，設計時應使工作線圈的感應電流足夠小。7.2、霍爾傳感器一、霍爾（Hall）效應：置于磁場中的導體或半導體薄片，當有電流通過時，在垂直于電流方向和磁場方向上將產生電動勢的現(xiàn)象，稱為霍爾效應?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獙崿F(xiàn)磁電轉換的一種傳感裝置。二、工作原理：如圖7—2示，將一塊N型半導體材料置于磁場B中，當它通過電流l時，半導體中的自由電荷（電子）受到磁場中洛侖茲力FL的作用，其大小為FL=-q0VB式中V—電子速度，q0—電電荷，B—垂直于霍爾元件表面的磁感應強度。在FL作用下，電子向垂直于B與U方向偏移，即電子向某一方向積聚，結果使半導體一端面產生負電荷集聚，另一端面產生正電荷集聚。由于電荷集聚，便產生靜電場，即霍爾電場。此電場產生一個與FL向反的力FH，阻止電子繼續(xù)偏轉，其大小為：達到動平衡時，磁場力與電場力相等，則FL=FH

即或UH=bvB

或UH=bvB又電流密度J=-nq0v式中n—為電子濃度，則流過霍爾元件的電流為：即

則

式中

為霍爾系數(shù)，

為

霍爾器件的靈敏系數(shù)。若霍爾元件為P型半導體，則

式中P—空穴濃度。二、霍爾器件根據(jù)霍爾效應制成的磁電轉換元件叫做霍爾元件。1、工作原理：如圖7—2所示。將一塊長為L、寬為b、厚度為a的半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它的相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體另外兩邊將產生一個大小與控制電流I和磁感應強度B之積成正比的霍爾電壓UH，且UH為：UH=KHIB式中

由于金屬材料的自由電子濃度n很高，其霍爾系數(shù)RH很小，產生的電動勢很小。所以金屬材料不宜作霍爾元件。其正負號由載流子類型決定。電子導電時，RH負值；空穴導電時，RH為正值。r是與溫度、能帶結構等有關的因數(shù)。若運動載流子呈費米爾分布，則r=1，若呈波爾茨分布，則

。RH單位為q0=1.602×10-19，C為電子的電荷量，RH還與載流子遷移率μ和電阻率ρ有關:

半導體材料中的載流子具有很高的遷移率和電阻率，且一般電子遷移率大于空穴遷移率，故多選用N型半導體材料作霍爾器件。2、霍爾器件的主要參數(shù)①輸入電阻或稱輸入內阻Ri。指控制電流極端間的電阻，單位為Ω；②輸出電阻或稱輸出內阻R0。指無負載時霍爾電壓輸出電極端間的電阻，單位為Ω；③額定控制電流。在室溫條件下，能使霍爾器件產生100C溫升的電流值；④額定功耗。霍爾器件在環(huán)境溫度時，允許加在其兩端的電壓與控制電流的乘積；⑤不平衡電壓U0

。在額定控制電流之下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電壓，又稱寄生直流電勢，單位為⑥不平衡電阻r0

。不平衡電壓U0與額定控制電流之比，單位為Ω；⑦霍爾靈敏系數(shù)KH。單位控制電流和單位磁感應強度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，單位為U/（A、T）；⑧磁靈敏系數(shù)KB

。額定控制電流和單位磁感應強度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，單位為V/T；⑨霍爾電壓穩(wěn)定系數(shù)βH。在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化10C時，霍爾電壓變化的百分率；⑩內阻溫度系數(shù)β。在無磁場及工作溫度范圍內，霍爾器件的濕度每變化10C時，輸入電阻RI和輸出電阻R0變化的百分率（），一般取不同溫度的平均值。3、霍爾器件的材料選擇：常用材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦等半導體材料。銻化銦霍爾器件：靈敏度最高。但受溫度影響較大；鍺霍爾器件：靈敏度最低，但其溫度特性及線性度較好；砷化鎵霍爾器件：霍爾系數(shù)RH大，電子遷移率高，禁帶寬度大，且溫度穩(wěn)定性好，霍爾電壓穩(wěn)定系數(shù)βH可達0.005%/0CN（Si）的工作溫度范圍較寬，一般為-100------+1700C，N（Ge）易加工制造，綜合性能較好。4、霍爾系數(shù)RH與電子遷移率μ的關系：

式中：σ—霍爾器件電導率；單位：1/Ω.cmρ—霍爾器件電阻率；單位：Ω.cmμ—電子遷移率，即單位場強電子平均速度；單位：cm/V.sq0—電子電荷量；顯然，霍爾系數(shù)RH與電子遷移率μ成正比，且與電阻率ρ有關。因為InAs和InSb的ρ值太低，則RH值較小。5、霍爾器件的電磁特性霍爾器件的電磁特性包含UH—IC特性和UH—B特性。（1）、UH—IC特性：在恒定磁場和環(huán)境下，霍爾直線的斜率稱為控制電流靈敏度。由圖（6—2）知：

而UH=KHICB所以

因此，霍爾系數(shù)KH大的元件，其控制電流靈敏度KI也大。（2）、UH—B特性：在控制電流IC和環(huán)境溫度恒定下，霍爾器件開路輸出電壓與磁場強度B之間關系不完全呈線性關系。由圖（6—3）知：當B<0.5Wb/m2時，曲線呈線性關系；當B>0.5Wb/m2時線性度差；其原因是磁場增加，使霍爾輸出下降。另外還知：銻化銦的線性度很差，硅的線性度最好，鍺次之。6、霍爾器件類型

分立型：（1）、單晶霍爾器件—鍺(Ge)、硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）（2）、簿膜霍爾器件—銻化銦（InSb）簿膜集成型：（1）、線性霍爾集成傳感器（2）、開關霍爾集成傳感器。7、霍爾器件的連接方式和輸出電路

（1）、基本電路：如圖7—5所示?？刂齐娏鱅的大小，由電位器RW調節(jié)。輸出端接負載電阻RL（放大器或測量儀表內阻）。其輸出電壓UH，分別正比于IB或I或B（2）、連接方式：有兩種：如圖7—6所示。①直流供電—控制電流端并聯(lián)，其輸出電壓為單片的兩倍；②交流供電—控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器T的初級線圈；變壓器次級線圈兩端便有霍爾電壓疊加值輸出。8、誤差分析及補償方法

零位誤差——霍爾元件在不加控制電流或不加外磁場卓越而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。A、不等位電勢U0。A、B電極不處在同一等位面上使霍爾電極所產生的電勢。采用電橋法進行補償。B、寄生直流電勢。在無磁場下，元件通以交流控制電流，輸出端除產生交流不等位電勢外，還有一個直流電勢分量，這便是寄生直流電勢。產生原因：一是控制電流極及電勢極的歐姆接觸不佳造成整流效應；二是由于霍爾電極的焊點大小不一，其熱容量不一致產生溫差。C、感應零電勢Uio。沒有控制電流時，在交流或脈動磁場作用下產生的電勢。消除方法有自身補償法和外加補償法。D、自激零電勢?；魻栐刂齐娏鳟a生的磁場稱為自激磁場。如果元件左右兩半磁場相等，則自激零電勢會互相抵消。（2）、溫度誤差。補償方法：一是在輸出回路并聯(lián)電阻，二是在輸入回路串聯(lián)電阻。7.3、磁敏電阻器一、磁阻效應—當通有電流的半導體或磁性金屬簿片置于與電流垂直的外磁場中，使其電阻值增大的物理現(xiàn)象稱為磁阻效應。產生磁阻效應的原因是：由于磁場的作用力使載流子運動路徑彎曲，即外加電場的電流分量減小，從而使其電阻值增大?；魻栐茸桦S磁場強度增加而增加的磁阻效應使霍爾電壓輸出降低。只有一種載流子的半導體的磁阻效應可以忽略；具有兩種載流子的半導體的磁阻效應很強，適合作磁阻元件。二、磁敏電阻器—簡稱MR元件。當溫度恒定時，半導體磁敏電阻在弱磁場中的電阻率與磁感應強度B有如下關系：式中：—零磁場下的電阻率，μn—電子遷移率，ρ—半導體中的空穴載流子數(shù)量，—空穴遷移率，N—半導體中電子載流子數(shù)量，B—磁場強度。當電阻率變化為：時，則電阻率的相對變化為：由此可見，磁場一定，遷移率越高的半導體材料（InSb，InAS）磁阻效應越明顯。1、磁敏電阻分類：按材料分類：分為半導體磁敏電阻和金屬簿膜型磁敏電阻兩大類。半導體磁敏電阻特點：原始信號強，靈敏度高，后序處理電路簡單，適用于強永磁體。金屬簿膜型磁敏電阻特點：對弱磁場很敏感，溫度系數(shù)比半導體低一個數(shù)量級，成本低，易于實現(xiàn)批量化生產和集成化處理。它是將坡莫合金沉積在襯底上形成薄膜，徑光刻制成芯片而成。2、磁敏電阻的結構：如圖7—13示。（A）、短路電極（光柵狀）；（B）、在結晶過程中有方向性地析出金屬；（C）、圓盤結構；（D）、符號。3、磁敏電阻工作原理：沒有外磁場時，磁阻元件的電流密度矢量均勻。當外加磁場垂直作用在磁阻元件的表面時，電流密度矢量偏移電場方向θ角，這樣就使電流所流通的路徑變長，從而使元件兩端金屬電極間的電阻就增加了。如圖7—15所示。4、磁敏電阻的基本特性：①、B—R特性：以為縱標，B為橫標的關系曲線；②、靈敏度K。

R3—為B=0.3T時的RB值，一般K≥2.75、磁敏電阻特點：①、阻抗低；②、阻值隨磁場變化率大，③、非接觸測量；④、頻率響應好；⑤、動態(tài)范圍廣；⑥、噪聲?。ǜ蓴_?。V泛用于無觸點開關、旋轉偏碼器、角度、轉速傳感器等。7.4、磁敏二極管和磁敏三極管一、磁敏二極管

1、結構

如圖7—17示。在高純度Ge兩端用合金法做成高摻雜P型區(qū)和N型區(qū)。在P—N之間有一個較長的高純度本征區(qū)。其一面磨成光滑的復合表面I區(qū)，另一面用擴散、研磨、或擴散雜質等方法制成高復合區(qū)r。載流子在粗糙的r區(qū)復合速率較大。

2、工作原理：

如圖7—18示

在正向電壓（P+區(qū)接高電位，N+接低電位）作用下，P+區(qū)向I注入空穴，N+區(qū)向I區(qū)注入電子。①、在無磁場作用時，大部分空穴從P+區(qū)通過I區(qū)進入N+區(qū)。同時大部分電子通過I區(qū)進入P+區(qū)形成電流。只有少量的電子和空穴在I區(qū)或r區(qū)復合掉。此時I區(qū)的電阻值是固定的，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。見圖7—18（A）。

②、給磁敏二極管外加一個正向磁場（B射向紙內）B+

，空穴和電子在洛侖茲力的作用下，向r區(qū)偏轉。

由于空穴和電子在r區(qū)的復合速率較大，因此復合掉的載流子比沒受磁場作用時要多得多，從而使I區(qū)的載流子數(shù)目減少，電阻增大，電壓增加，P+N+結壓降減小，導致注入到I區(qū)的載流子數(shù)減小，（洛侖茲力—運動著的帶電質點在磁場中所受的力。）結果使I區(qū)的電阻和壓降繼續(xù)增大，產生正反饋，直到平衡為止。見圖7—18（B）③、給磁敏二極管加一個反向磁場，（射向紙外）B—，在洛侖茲力作用下，載流子偏離復合區(qū)r，使電子空穴復合率明顯減小，則磁敏二極管的正向電流增大，電阻值減小。見圖7—18（C）。3、主要特性（1）磁電特性U0=f（B）

（2）伏安特性U0=f（I）（3）溫度特性U0=f（t）2、工作原理：（A）、無磁場作用時，由于基區(qū)長度大于載流子有效擴散長度，從發(fā)射區(qū)注入到I區(qū)的（載流子）電子在橫向電場Ube的作用下，其大部分在I區(qū)與空穴復合形成基流，輸入到C極的載流子少，因此基極電流大于集電極電流。

B=0I區(qū)n→Ube→在I區(qū)與P復合→C區(qū)載流子少。見圖7—20（A）

在高阻半導體鍺或硅材料I上用合金法或擴散法形成發(fā)射極，基極和集電極?；鶚O很長，類似磁敏二極管，也有高復合率的r區(qū)和本區(qū)I，發(fā)射區(qū)、集電區(qū)設置在其上下表面。如圖7—19所示。

1、結構

二、磁敏三極管高阻區(qū)又使發(fā)射體上電壓減小，從而使注入到I區(qū)的電子數(shù)大大減小，導致集電極電流進一步減小。B=載流子→r偏→C區(qū)n更少→Ib↑→IC↓同時b區(qū)n經過r→與p復合→I區(qū)載流子濃度↓↓→成為高阻區(qū)→Ube↓→I區(qū)n↓→IC↓↓見圖7—20（B）。

（B）、受到正向磁場B+作用時洛侖茲力使載流向復合區(qū)r方向偏轉。結果使注入集電區(qū)的電子比無磁場作用時還要少，故使基極電流增加，集電極電流減小，同時，流入基區(qū)的電子經過復合區(qū)r時大量地與空穴合，使I區(qū)載流子濃度大大減小而成為高阻區(qū)。

可見磁敏三極管在正反磁場作用下，會引起集電極電流明顯變化。這樣就可以用磁場方向控制集電極電流的增加或減小，用磁場的強度控制集電極電流的變化。3、主要特性（1）磁電特性ΔIr=f（B）（2）伏安特性Ir=f（Uce）磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。（3）溫度特性。B=

→載流子向C偏→IC↑見圖7—20（C）。

（C）、受到反向磁場B-的作用時，載流子向集電極一側偏轉，使集電極電流增大。

可以用于下述三個方面；（1）當控制電流不變時，使傳感器處于非均勻磁場中，傳感器的輸出正比于磁感應強度。因此，對能轉換為磁感應強度變化的量都能進行測量，例如可以對磁場、位移、角度、轉速、加速度等量進行測量。（2）磁場不變時，傳感器輸出值正比于控制電流值，因此，凡能轉換為電流變化的各種量，均能進行測量。（3）傳感器輸出值正比于磁感應強度和控制電流的乘積。因此，它可以用于乘法、功率方面的計算與測量。7.5磁電式傳感器的應用一、霍爾傳感器的應用1、霍爾壓力、壓差傳感器霍爾壓力、壓差傳感器，一般由兩部分組成。一部分為彈性元件，用它來感受壓力，并把壓力轉換成位移量；另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)。通常把霍爾元件固定在彈性元件上，這樣當彈性元件產生位移時，將帶動霍爾元件在均勻磁場中移動，從而產生霍爾電勢，完成將壓力（或壓差）變換為電量的任務。圖7—24為霍爾壓力傳感器的結構原理圖。2、霍爾位移傳感器：在磁性相反，磁場強度相同的氣隙間放置一個霍爾元件。當控制電流I不變時，霍爾電壓UH與外加磁場強度成正比。若磁場在一定范圍內沿X方向的變梯度為一常數(shù)時，

式中：K—為位移傳感器的輸出靈敏度。對上式積分得：UH=KX說明霍爾電壓UH與位移成線性關系，且其輸出電壓極性反映元件位移方向。磁場梯度越大，靈