第8章磁電傳感器

第八章磁電傳感器

本章主要學(xué)習(xí)霍爾傳感器、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管。

霍爾元件是一種四端元件8.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？線性區(qū)最大激勵(lì)電流IM:

由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5μA0.1mA2mA80mA

霍爾元件連接方式和輸出電路1.基本測(cè)量電路在測(cè)量中，可以把電流I、磁場(chǎng)強(qiáng)度B或者IB作為輸入信號(hào)，來(lái)測(cè)量輸出電勢(shì)。2.連接方式a.直流供電?？刂齐娏鞑⒙?lián)，由W1、W2調(diào)節(jié)兩個(gè)元件的輸出霍爾電勢(shì)，A、B為輸出端，則它的輸出電勢(shì)為單塊的兩倍。b.交流供電?？刂齐娏鞔?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢(shì)信號(hào)疊加值輸出。3.霍爾電勢(shì)的輸出電路作線性測(cè)量時(shí)，最好選靈敏度低一點(diǎn)、不等位電勢(shì)小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。作開(kāi)關(guān)使用時(shí)，要選擇靈敏度高的霍爾元件。見(jiàn)書(shū)中兩例。四、霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償方法造成測(cè)量誤差的主要因素有兩類：半導(dǎo)體的固有特性；半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。1.零位誤差及補(bǔ)償方法在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位誤差。制造工藝問(wèn)題造成的不等位電勢(shì)是主要的零位誤差。如圖a，當(dāng)控制電流I流過(guò)時(shí)，即使未加外磁場(chǎng)，A，B兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差稱為不等位電勢(shì)U0?？梢园鸦魻栐刃橐粋€(gè)四臂電橋，如圖b幾種常用的補(bǔ)償方法。2.溫度誤差及其補(bǔ)償因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此，會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度而變化，這種變化的程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。溫度高到一定程度時(shí)，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。常采用的補(bǔ)償電路有：（1）利用輸出回路并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償補(bǔ)償電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為：利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。霍爾接近開(kāi)關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_(kāi)關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開(kāi)關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開(kāi)關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用?；魻柺浇咏_(kāi)關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開(kāi)關(guān)型霍爾ICT8.2.1磁阻效應(yīng)當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)中，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來(lái)的磁阻效應(yīng)方程為：8.2磁敏電阻器電阻率的相對(duì)變化可以看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ一定時(shí)，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)所致。7.3.2磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長(zhǎng)度與寬度的比越小，電阻率的相對(duì)變化越大。8.2.3磁阻元件的主要特性1.靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)—電阻變化率特性曲線的斜率。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無(wú)磁場(chǎng)情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的電阻值。8.2.4磁敏傳感器的應(yīng)用

磁敏電阻：半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。

磁敏電阻可用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向及強(qiáng)度的變化。

指南針只能指示地球磁場(chǎng)的方向。磁阻式電子羅盤(pán)磁敏電阻IC及其應(yīng)用線性磁阻位置傳感器磁敏電阻的應(yīng)用

根據(jù)鐵磁物體對(duì)地磁的擾動(dòng)，可檢測(cè)車輛的存在，可用于包括自動(dòng)開(kāi)門(mén)，路況監(jiān)測(cè)，停車場(chǎng)檢測(cè)，車輛位置監(jiān)測(cè)，紅綠燈控制等。

利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）

磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）

磁力探礦儀的使用磁敏電阻小型探礦儀

上海直川信息技術(shù)有限公司研制的磁阻探礦儀及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線圖磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測(cè)量磁力線集中磁力線分散磁阻IC用于筆式驗(yàn)鈔器驗(yàn)鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑的無(wú)復(fù)合表面（為I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（為r區(qū)），因?yàn)殡娮印昭▽?duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。7.4.1磁敏二極管的工作原理和主要特性7.4磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)+－圖磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)P+N+I區(qū)r區(qū)當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)，外加正向偏壓后，則有大量的空穴從P區(qū)通過(guò)I區(qū)進(jìn)