第9章 磁敏式傳感器

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第9章磁敏式傳感器9.1磁敏式傳感器概述9.2霍爾傳感器9.3磁敏電阻傳感器第9章知識(shí)目標(biāo)（1）掌握霍爾效應(yīng)及其類型劃分；（2）理解霍爾傳感器的靈敏度和霍爾系數(shù)的定義及其意義；（3）掌握開(kāi)關(guān)型、線性型霍爾傳感器的輸出特性；（4）掌握霍爾傳感器的不等位電勢(shì)的定義及其補(bǔ)償方法；（5）掌握磁阻效應(yīng)及其類型劃分；（6）掌握磁敏電阻傳感器B-R特性。3第9章能力目標(biāo)（1）能夠準(zhǔn)確理解霍爾效應(yīng)與磁阻效應(yīng)之間的聯(lián)系與區(qū)別；（2）能夠正確選擇和應(yīng)用霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器。459.1磁敏式傳感器概述

磁敏式傳感器是指利用各種磁電物理效應(yīng)（霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)）或磁電感應(yīng)原理，將受到振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等非磁電信息影響的磁物理量（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁通）的變化轉(zhuǎn)換成可用電信號(hào)的傳感器。制作磁敏式傳感器的材料主要有石墨烯、磁性金屬材料、半導(dǎo)體材料等。1.基本測(cè)量原理62.類型劃分73.典型應(yīng)用（1）無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速磁敏式傳感器對(duì)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的自動(dòng)調(diào)速。（2）電力電網(wǎng)監(jiān)控

磁敏式傳感器通過(guò)檢測(cè)電力電網(wǎng)中電壓與電流等參量的變化，以及變壓器、發(fā)電機(jī)等具體的電力設(shè)備的磁場(chǎng)的變化、溫度的變化、位置的變化等，對(duì)電力電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，輔助電力電網(wǎng)的智能化管理。8（3）汽車電子

磁敏式傳感器在汽車電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛：③用于汽車的碰撞保護(hù)和安全氣囊控制系統(tǒng)，保護(hù)人員安全?！贆z測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)獲得車輛的速度、加速度以及溫度等參數(shù)。②檢測(cè)車輛的方向盤(pán)角度、車身傾斜角度等參數(shù)，獲得汽車的位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)駕駛和導(dǎo)航等功能。9②腦磁圖儀是利用磁敏式傳感器檢測(cè)腦部神經(jīng)元興奮性突觸后電位產(chǎn)生的電流形成的生物電磁場(chǎng)以了解大腦的狀態(tài)。……（4）醫(yī)學(xué)檢測(cè)①磁控膠囊胃鏡機(jī)器人利用磁敏式傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)胃鏡機(jī)器人位置和姿態(tài)的精確控制。109.2霍爾傳感器9.2.1霍爾效應(yīng)

指在外加磁場(chǎng)作用下或者在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的情況下，通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在垂直于電流的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。1.霍爾效應(yīng)定義

被廣泛應(yīng)用于微位移、加速度、轉(zhuǎn)速、角度、流量等參量的測(cè)量。被用于制作高斯計(jì)、鉗形交流電流表、功率計(jì)、接近開(kāi)關(guān)，以及對(duì)金屬管道實(shí)現(xiàn)漏磁無(wú)損檢測(cè)等?；魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟硎腔诨魻栃?yīng)。2.霍爾傳感器應(yīng)用113.霍爾效應(yīng)類型劃分常規(guī)霍爾效應(yīng)于1879年由美國(guó)物理學(xué)家約翰·霍爾發(fā)現(xiàn)于1881年由美國(guó)物理學(xué)家約翰·霍爾發(fā)現(xiàn)124.經(jīng)典霍爾效應(yīng)簡(jiǎn)稱霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)原理解析圖

根據(jù)洛倫茲力定律，自由電子在洛倫茲力FL作用下（左手定則），向半導(dǎo)體材料的內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)，形成負(fù)電荷的積聚，而半導(dǎo)體材料的外側(cè)會(huì)留下不能移動(dòng)的正離子和帶正電荷的空穴，形成正電荷的積聚。因此半導(dǎo)體材料的外側(cè)與內(nèi)側(cè)之間就形成了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，稱為霍爾電場(chǎng)?；魻栃?yīng)原理解析:

當(dāng)霍爾電場(chǎng)形成后，半導(dǎo)體材料中的自由電子在受到洛倫茲力FL作用的同時(shí)也受到電場(chǎng)力FE的作用，兩種力的作用方向相反。直至兩力大小相等，霍爾電場(chǎng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)霍爾電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)UH。135.霍爾靈敏度與霍爾系數(shù)以正電荷受到的洛倫茲力方向?yàn)檎瑒t單個(gè)自由電子受到的洛倫茲力FL求解式:單個(gè)電子的電荷量（元電荷）電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速率單個(gè)自由電子受到的電場(chǎng)力FE的求解式：霍爾電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度霍爾電勢(shì)半導(dǎo)體材料的寬度，即霍爾電場(chǎng)正、負(fù)電極之間的距離14當(dāng)N型雜質(zhì)半導(dǎo)體材料的霍爾電場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)：半導(dǎo)體材料內(nèi)部電子電流微觀表達(dá)式：15霍爾靈敏度霍爾靈敏度——反映霍爾元件在單位激勵(lì)電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)的大小。霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)——由霍爾元件材料的性質(zhì)決定，反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)與弱。結(jié)論：霍爾元件通常制作成薄片形狀，提高霍爾靈敏度。166.霍爾電勢(shì)的求解通式霍爾相位角磁場(chǎng)方向與激勵(lì)電流方向也可以成任意夾角179.2.2霍爾元件與霍爾傳感器霍爾傳感器的核心構(gòu)成是霍爾元件?；魻栐请p端輸入、雙端輸出的四端元件?；魻栐膱D形符號(hào)形式多樣，常見(jiàn)類型：1與1?為激勵(lì)電極；2與2?為霍爾電極18

霍爾傳感器是在霍爾元件的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同功能需要集成了輔助的功能電路，通常比霍爾元件具有更高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。霍爾傳感器實(shí)物圖片示例199.2.3霍爾傳感器輸出特性1.開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器霍爾開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，具有無(wú)觸點(diǎn)，功耗低，使用壽命長(zhǎng)，響應(yīng)頻率高等特點(diǎn)。

霍爾開(kāi)關(guān)內(nèi)部構(gòu)成主要包括霍爾元件、穩(wěn)壓器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、集電極開(kāi)路輸出級(jí)等功能電路。

根據(jù)輸出端信號(hào)高、低電平切換與磁場(chǎng)的南極、北極的關(guān)聯(lián)性不同，霍爾開(kāi)關(guān)分為單極、雙極和全極三種類型。20（1）

單極霍爾開(kāi)關(guān)單極霍爾開(kāi)關(guān)能感應(yīng)識(shí)別磁場(chǎng)的一個(gè)固定磁極，磁場(chǎng)南極（S極）或者磁場(chǎng)北極（N極）。主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)速計(jì)、計(jì)數(shù)器、流量計(jì)，以及電機(jī)控制等領(lǐng)域。南極靠近絲印面輸出特性曲線TO-92S封裝形式的HL2102對(duì)磁場(chǎng)的南極（S極）感應(yīng)工作點(diǎn)釋放點(diǎn)導(dǎo)通閾值截止閾值回差常用的單極霍爾開(kāi)關(guān)型號(hào)有OH3144、MT4102、HL2102等。21注意：對(duì)于采用SOT23-3貼片封裝形式的HL2102，其絲印面對(duì)磁場(chǎng)的北極（N極）感應(yīng)。22HL2102基本應(yīng)用電路：上拉電阻23（2）雙極霍爾開(kāi)關(guān)

雙極霍爾開(kāi)關(guān)是通過(guò)磁場(chǎng)的兩個(gè)磁極分別控制輸出端的高、低電平狀態(tài)，即霍爾開(kāi)關(guān)對(duì)磁場(chǎng)的兩個(gè)磁極對(duì)應(yīng)不同的輸出電平狀態(tài)。根據(jù)磁場(chǎng)消失后是否保持原輸出狀態(tài)，雙極霍爾開(kāi)關(guān)分為鎖存型和非鎖存型兩種類型。被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、家用電器，以及自動(dòng)化生產(chǎn)線上的物料搬運(yùn)系統(tǒng)等。

常用的雙極鎖存型霍爾開(kāi)關(guān)型號(hào)有SS466A、ME1177、A1221LUA、HAL513、CC6205、FS177等。24雙極鎖存型霍爾開(kāi)關(guān)FS177：25（3）全極霍爾開(kāi)關(guān)全極開(kāi)關(guān)無(wú)極性霍爾開(kāi)關(guān)

全極霍爾開(kāi)關(guān)的工作特性不區(qū)分磁場(chǎng)的南極或北極，只要有磁極靠近，且磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到工作點(diǎn)BOP后，其輸出端就呈現(xiàn)低電平；只要磁極遠(yuǎn)離，且磁感應(yīng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)BRP后，其輸出端就呈現(xiàn)高電平。常用型號(hào)有HAL2201、AH463、OCH1661、A3213等。262.線性型霍爾傳感器主要由霍爾元件、線性放大器、電壓跟隨器等功能電路構(gòu)成。線性型霍爾傳感器輸出量為模擬電壓，與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例關(guān)系。線性型霍爾傳感器輸出特性曲線圖

線性型霍爾傳感器在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性關(guān)系。如果磁感應(yīng)強(qiáng)度超出了線性區(qū)域，輸出電壓將趨于飽和。27

線性霍爾傳感器可以應(yīng)用于位移、位置、壓力、力矩、應(yīng)力、交流電流、交流電壓等參量的測(cè)量。常用型號(hào)有SS495、A1236、CH605等。線性型霍爾傳感器位移檢測(cè)示意圖289.2.4不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償=0≠00不等位電勢(shì)2.不等位電勢(shì)存在的主要原因：（1）霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或者不在同一等電位面。（2）半導(dǎo)體材料不均勻或幾何尺寸不均勻，導(dǎo)致電阻率不均勻。（3）激勵(lì)電極端接觸不良，造成激勵(lì)電流分布不均勻。1.不等位電勢(shì)定義29

不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，在某些情況下，不等位電勢(shì)甚至可能超過(guò)霍爾電勢(shì)，是霍爾傳感器產(chǎn)生零位誤差的主要因素。3.不等位電勢(shì)補(bǔ)償常用的不等位電勢(shì)補(bǔ)償方法是電橋法?；魻栐刃щ娐?/p>

補(bǔ)償電路示例1補(bǔ)償電路示例2309.3磁敏電阻傳感器磁阻傳感器磁敏電阻傳感器的工作原理基于磁阻效應(yīng)，以磁阻元件為轉(zhuǎn)換元件，將磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為阻值的變化。

廣泛應(yīng)用于鐵磁物質(zhì)探傷、圖形識(shí)別、直線位移、角位移、磁通量、壓力、流量等的測(cè)量。9.3.1磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)——指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻值隨外加磁場(chǎng)的變化而變化的現(xiàn)象。31于1856年由英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)。磁阻效應(yīng)物理磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)321.物理磁阻效應(yīng)磁電阻率效應(yīng)指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的電阻率隨著外加磁場(chǎng)的變化而變化的現(xiàn)象。

外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)相垂直外加磁場(chǎng)與外加電場(chǎng)相平行縱向磁阻效應(yīng)不顯著33橫向磁阻效應(yīng)的原理解析：

在霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)程中，載流子在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致了載流子在材料內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的路徑變得彎曲延長(zhǎng)。這令載流子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致散射的機(jī)率增大，電流密度降低，最終導(dǎo)致電阻率升高，電阻值增大，此種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應(yīng)。342.幾何磁阻效應(yīng)

指在相同的磁場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體磁阻元件幾何形狀不同對(duì)應(yīng)不同的電阻阻值的現(xiàn)象。即磁阻效應(yīng)的強(qiáng)與弱與半導(dǎo)體材料的幾何形狀聯(lián)系緊密。

通電的半導(dǎo)體磁阻元件在外加磁場(chǎng)作用下，內(nèi)部載流子受到洛倫茲力FL發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成霍爾電場(chǎng)。同時(shí)電場(chǎng)力FE作用于載流子，方向與FL反向。由于磁阻元件1與1?電極引腳端對(duì)霍爾電場(chǎng)起到短路作用，因此在靠近兩電極引腳的區(qū)域，霍爾電場(chǎng)非常弱，接近為零，此處FL>>FE，因此載流子運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于外加電場(chǎng)Uext的方向偏轉(zhuǎn)角度α較大，載流子在磁阻元件內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)路徑延長(zhǎng)，電阻值變大。35注意：與幾何磁阻效應(yīng)緊密相關(guān)的參量是磁阻元件的幾何形狀的長(zhǎng)寬比。幾何磁阻效應(yīng)越弱幾何磁阻效應(yīng)越強(qiáng)增加許多平行等間距的金屬條，即短路條，增強(qiáng)磁阻效應(yīng)。369.3.2磁敏電阻元件磁阻元件（MagneticResistor，MR）磁阻元件是磁敏電阻傳感器的核心轉(zhuǎn)換元件。1.磁阻元件材料372.磁阻元件結(jié)構(gòu)形式長(zhǎng)方形柵格形曲折形圓盤(pán)形柵格形半導(dǎo)體磁阻元件結(jié)構(gòu)構(gòu)成示意圖科爾賓元件磁阻效應(yīng)示意圖科爾賓元件383.磁阻元件圖形符號(hào)4.磁阻元件基本特性（a）圖形符號(hào)1（b）圖形符號(hào)2（c）圖形符號(hào)3磁阻元件一般用電阻率的相對(duì)變化反映磁阻效應(yīng)的強(qiáng)度。在一定溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁電阻率的求解式：磁場(chǎng)強(qiáng)度為B時(shí)的磁電阻率零磁場(chǎng)時(shí)的磁電阻率載流子遷移率結(jié)論：在磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時(shí)，載流子遷移率高的磁阻元件材料對(duì)應(yīng)的磁阻效應(yīng)更顯著。39磁阻元件B-R特性曲線

在低于0.1T的弱磁場(chǎng)中，B-R特性曲線非線性特征顯著；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.1T后B-R特性曲線線性度良好。405.磁阻元件典型應(yīng)用（1）

用作磁敏電阻傳感器的核心轉(zhuǎn)換元件，可以實(shí)現(xiàn)位移、磁場(chǎng)、速度、角度等非電量的測(cè)量。（2）

用于制作開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車、紡織工業(yè)、煤礦、家電等領(lǐng)域。（3）

用于構(gòu)建模擬運(yùn)算電路，實(shí)現(xiàn)線性、非線性運(yùn)算，例如：乘法、除法、平方、立方等運(yùn)算。（4）用于制作磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（Magneto-resistiveRandomAccessMemory，MRAM），是一種具有非易失性、高速讀寫(xiě)能力和高集成度等特點(diǎn)的存儲(chǔ)器技術(shù)。419.3.3磁敏電阻傳感器典型應(yīng)用1.磁敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)構(gòu)成磁敏電阻傳感器一般結(jié)構(gòu)構(gòu)成2.三端差分磁敏電阻傳感器：配合直流雙臂電橋測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，在提高測(cè)量靈敏度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。423.三端差分磁敏電阻傳感器應(yīng)用案例：檢測(cè)示意圖橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電