第9章 磁敏式傳感器

1、1 磁電式傳感器是通過磁電作用將被測非電量轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。主要有磁電感應(yīng)式傳感器、磁柵式傳感器和磁敏式傳感器。 磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該類傳感器只適用于動態(tài)測量，可直接測量振動物件的速度或旋轉(zhuǎn)體的角速度。 磁柵式傳感器是利用磁頭和磁柵相對移動，從而在磁頭上感應(yīng)出電信號，此類傳感器屬于數(shù)字式傳感器的一種。 磁敏式傳感器是利用半導(dǎo)體中的自由電子或空穴隨磁場改變運動方向這一特性而制成的一種傳感器。分為體型和結(jié)型兩大類。q 體型：霍爾傳感器（InSb,InAs,Ge,Si,GaAs）和磁敏電阻（InSb,InAs）;q 結(jié)型：磁敏二極管（Ge,Si）、磁敏

2、三極管（Si）。 9.1 霍爾傳感器9.2 磁敏電阻 9.3 結(jié)型磁敏管2 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。 1879年美國物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall）首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 優(yōu)點：靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小、重量輕、壽命長、安裝方便、功耗小、頻率高（可達1MHz）、耐高溫、耐震動、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 已廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動控制、計算機裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個領(lǐng)域。9.1 霍爾傳感器3

3、一、霍爾效應(yīng)和工作原理 二、霍爾元件的應(yīng)用電路三、集成霍爾器件四、霍爾傳感器的應(yīng)用 按功能可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 霍爾線性器件的精度高、線性度好； 霍爾開關(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達m級）。 采用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達55150。4一、霍爾效應(yīng)和工作原理1. 霍爾效應(yīng) 一塊半導(dǎo)體薄片，其長度為l ，寬度為b ，厚度為d ，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如果在它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(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I 和磁感應(yīng)

4、強度B 乘積成正比的電勢UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件?；魻栃?yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖圖形符號圖形符號5c cd da ab b霍爾效應(yīng)演示6UHKH I B KH霍爾元件的靈敏度。 若保持I恒定，作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢UH也就越高。 若磁感應(yīng)強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為UH =KHIBcos 72. 工作原理 霍爾效應(yīng)是物質(zhì)中的運動電荷受磁場中洛侖茲（Lorentz)力作用而產(chǎn)生的一種特性。 霍爾元件(設(shè)

5、為N 型半導(dǎo)體)置于磁場B中，當(dāng)通以電流I 時，運動電荷（載流子電子）受磁場中洛侖茲力fL 的作用，向垂直于B 和電流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即運動電荷（電子）有向某一端積聚的現(xiàn)象，使霍爾元件一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場，該靜電場對運動電荷（電子）的作用力fE 與洛侖茲力fL方向相反，阻止其偏轉(zhuǎn)，當(dāng)二力相等時，電荷積累達到動態(tài)平衡，此時的靜電場即為霍爾電場，在電荷積聚的兩面上產(chǎn)生的電勢稱為霍爾電勢霍爾電勢。 (a)磁場為磁場為0時電子的流動時電子的流動 (b)電子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)電子在洛侖茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn) (c)電荷積累達到平衡

6、時電荷積累達到平衡時8 洛侖茲力 fL = evB e 電子所帶電荷量 v 電子運動平均速度 B 磁感應(yīng)強度 霍爾電場作用力 fE = eEH = eUH /bEH 霍爾電場 UH 霍爾電勢 b 霍爾片的寬度 動態(tài)平衡時 fL = fE 則 evB =eUH /b由于電流密度 J =nev，則電流強度為 I =nevbd N型半導(dǎo)體： P型半導(dǎo)體：式中，d 霍爾片厚度 n 電子濃度 p 空穴濃度nedIBvbBUHpedIBUH93. 霍爾系數(shù)及靈敏度 （1）霍爾系數(shù)：N型半導(dǎo)體： neR1HP型半導(dǎo)體： peR1H RH 被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)，霍爾系數(shù)由材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢的

7、強弱。 dIBRUHH設(shè) dRKHH則 KH 既為霍爾元件的靈敏度（2）靈敏度：10則 ，于是得到 RH。UHKH IB IBUKHH 霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。 由于材料電阻率與載流子濃度和其遷移率 有關(guān)，即 ne1或 pe1 霍爾電勢除了與材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件的厚度 d 與 KH 成反比，因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高（一般0.1mm）。 HR 要想霍爾電勢強，材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大要想霍爾電勢強，材料的電阻率必須要高，且遷移率

8、也要大。雖然金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流子遷移率低。因此，只有半導(dǎo)體材料為最佳的霍爾傳感器材料只有半導(dǎo)體材料為最佳的霍爾傳感器材料。11二、霍爾元件的應(yīng)用電路 1. 基本測量電路 控制電流 I 由電源 E 供給，電位器 W 調(diào)節(jié)控制電流 I 的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻 RL，RL 可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻?；倦娐坊倦娐稶HKH IB 由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢 UH ，所以在測量中，可以把 I 和 B 的乘積，或者 I ，或者 B 作為輸入信號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于 I B 或 I 或 B 。

9、 122. 霍爾元件的驅(qū)動方式 霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅(qū)動或恒壓驅(qū)動。（a）恒流驅(qū)動）恒流驅(qū)動 （b）恒壓驅(qū)動）恒壓驅(qū)動13 圖（a）為直流供電情況。控制電流端并聯(lián)，由W1、W2調(diào)節(jié)兩個元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單片的兩倍。 圖（b）為交流供電情況?？刂齐娏鞫舜?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器 B 的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。（a）（b）3. 霍爾元件的連接方式 除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。144. 霍爾電勢的輸出電路 霍爾元件是一種四端器件四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱菀话?/p>

10、在毫伏量級，在實際使用時必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)。 （a）線性應(yīng)用）線性應(yīng)用 （b）開關(guān)應(yīng)用）開關(guān)應(yīng)用 當(dāng)霍爾元件作線性測量時，最好選用靈敏度低一點、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。 當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時，要選擇靈敏度高的霍爾器件。 15三、集成霍爾器件 盡管硅的載流子濃度較小，制作霍爾元件時靈敏度較低，但是由于硅集成電路工藝非常成熟，所以仍把硅材料作為集成霍爾傳感器的主要材料。 將霍爾元件及其放大電路、溫度補償電路和穩(wěn)壓電源等集成在一個芯片上構(gòu)成獨立器件集成霍爾器件（也稱集成霍爾傳感器） 。 不僅尺寸緊湊便于使用

11、，而且有利于減小誤差，改善穩(wěn)定性。 根據(jù)功能的不同，集成霍爾器件分為霍爾線性集成器件和霍爾開關(guān)集成器件兩類。161. 霍爾線性集成器件 霍爾線性集成器件的輸出電壓與外加磁場強度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。172. 霍爾開關(guān)集成器件開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾器件的電壓經(jīng)過一定的閾值甄別處理和放大，而輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。 由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和集電極開路輸出等部分組成。 BOP為工作點“開”的磁場強度， BRP為釋放點“關(guān)”的磁場強度。 鎖定型：當(dāng)磁場強度超過工作點開時，其輸出導(dǎo)通；而在磁場撤銷后，其輸出狀態(tài)保

12、持不變，必須施加反向磁場并使之超過釋放點，才能使其關(guān)閉。+（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；）內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖； （b）工作特性；）工作特性； （c）工作電路；（）工作電路；（d）鎖定型器件工作特性）鎖定型器件工作特性18四、霍爾傳感器的應(yīng)用 利用霍爾傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性可以十分方便地測量磁場強度、電流等有關(guān)的物理量。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量，例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)

13、發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。 1.位移測量 2.霍爾電流傳感器 3.霍爾高斯計 4.霍爾計數(shù)裝置（接近開關(guān)）5.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器 6.霍爾開關(guān)電子點火器7.霍爾電機 8.液位控制19對上式積分 UH = K x 霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系，其輸出電勢的極性反映了位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。當(dāng) x0 時，則元件置于磁場中心位置，UH0。這種位移傳感器特點是慣性小、響應(yīng)速度快、無觸點測量。利用這一原理可以測量與之有關(guān)的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。 1位移測量 霍爾位移傳感器可制成兩種結(jié)構(gòu)。在梯度磁場中放置一個霍爾元件。當(dāng)控制電流

14、 I 恒定不變時，霍爾電勢UH 與磁感應(yīng)強度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度 dB / dx 為一常數(shù)，則當(dāng)霍爾元件沿 x 方向移動時，霍爾電勢變化為 KxBdIRxUddddHH（位移傳感器的輸出靈敏度）202. 霍爾電流傳感器（霍爾傳感器測電流） 霍爾傳感器廣泛用于測量電流，從而可以制成電流過載檢測器或過載保護裝置；在電機控制驅(qū)動中，作為電流反饋元件，構(gòu)成電流反饋回路。 鐵心 將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。線性霍爾線性霍爾ICIBUH22 下

15、面以UGN3501M霍爾傳感器為例，闡明其測量電流的原理。 標(biāo)準(zhǔn)軟磁材料圓環(huán)中心直徑為40mm，截面積為44mm2（方形），圓環(huán)上有一缺口，放入霍爾傳感器，圓環(huán)上繞有11匝線，并通過檢測電流。根據(jù)磁路理論，可以算出電流為50A時，可產(chǎn)生0.3T磁場強度。由于UGN3501M的靈敏度為14mVmT，則在050A電流范圍內(nèi)，其輸出電壓變化為04.2V。壓舌壓舌豁口豁口霍爾鉗形電流表（交直流兩用）霍爾式電流諧波分析儀24 在磁場強度為0.1T時，UGN3501M的典型輸出電壓為1400mV，因此可以制成0.1T的高斯計，如圖所示。電源電壓為816V。在5、6腳接一個 20的調(diào) 3. 霍爾高斯計（特斯

16、拉計） 零電位器，在1、8腳接一可調(diào)靈敏度的10k電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為10k/V的電壓表。若在5、 6兩腳上各接一只47電阻后，再接20電位器，其線性范圍可達0.3T?；魻栐魻栐?磁鐵磁鐵 254. 霍爾計數(shù)裝置（接近開關(guān)） UGN3501T具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場變化，因而可以檢測鐵磁物質(zhì)的有無，利用這一特性可以制成計數(shù)裝置。 從圖中還可以看出，霍爾元件也是一種接近開關(guān)。 霍爾式接近開關(guān) 當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵（永磁）。 用開關(guān)型霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要

17、建立一個較強的閉合磁場。 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動，起到限位的作用。 min)/(460rfn 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾ICIC軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量霍爾式接近開關(guān)用于限位作用285. 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器11轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 22轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 33磁鐵磁鐵 44霍爾元件霍爾元件幾種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)幾種霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu) 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪。S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵 將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使

18、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經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。 圖（a），當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平； 圖（b），當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。（a）（b）帶有微型磁鐵帶有微型磁鐵的霍爾傳感器的霍爾傳感器鋼質(zhì)齒圈鋼質(zhì)齒圈霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵帶有微型磁鐵的霍爾傳感器的霍爾傳感器326. 霍爾開關(guān)電子點火器高壓輸出接頭高壓輸出接頭12V低壓電

19、源輸入接頭低壓電源輸入接頭 采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。能適用于惡劣的工作環(huán)境和各種車速，冷起動性能好等特點，目前已得到廣泛采用。 33 將霍爾元件固定在汽車分電器的白金座上，在分火點上裝一個隔磁罩1，罩的豎邊根據(jù)汽車發(fā)動機的缸數(shù)，開出等間距的缺口2。 當(dāng)缺口對準(zhǔn)霍爾元件時，磁通通過霍爾器件，如圖a所示，此時霍爾元件輸出高電平； 當(dāng)凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，磁通不通過霍爾器件，如圖b所示，霍爾元件輸出低電平0.4V 。1 1隔磁罩隔磁罩 2 2隔磁罩缺口隔磁罩缺口 3 3分電器轉(zhuǎn)軸分電器轉(zhuǎn)軸 4 4磁鐵磁鐵 5

20、5霍爾元件霍爾元件 34 霍爾電子點火器原理如圖所示。當(dāng)凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，霍爾元件輸出低電平， BG1截止，BG2、BG3導(dǎo)通，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵芯中。當(dāng)缺口對準(zhǔn)霍爾元件時，霍爾元件輸出高電平，BG1導(dǎo)通，BG2、BG3截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵芯中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出3050kV的高電壓，以放電形式輸出，即放電點火。 帶霍爾傳感器的分電器帶霍爾傳感器的分電器 開關(guān)放大器開關(guān)放大器 點火線圈點火線圈 35 直流電機具有運行效率高和調(diào)速性能好，得到了廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的直流電機均采用電

21、刷，以機械方法進行換相，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等致命弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。7. 霍爾電機(霍爾元件在直流無刷電機中的應(yīng)用) 普通直流電動機使用的電刷和換向器普通直流電動機使用的電刷和換向器 為克服以上缺點，出現(xiàn)了永磁直流無刷電機，以高性能永磁材料，如釤鈷、釹鐵硼等材料作轉(zhuǎn)子，采用電子換相代替電刷機械換相。 已廣泛應(yīng)用于軟、硬驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器、激光打印機、復(fù)印機、傳真機鼓驅(qū)動、VCD、DVD裝置；新一代變頻空調(diào)器、電冰箱、洗衣機等；目前興起的電動自行車以及自動控制系統(tǒng)作為執(zhí)行器等。36 永磁直流無刷電機

22、是由電機主體和驅(qū)動器組成的。直流無刷電機主體在沒有驅(qū)動器的情況下是無法運轉(zhuǎn)的，必須由驅(qū)動器來驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，并可以通過驅(qū)動器控制電機，按照使用者的設(shè)定來運轉(zhuǎn)。 直流無刷電動機是電子換向的直流電動機，需要用位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，以實現(xiàn)電子換向。采用霍爾元件作為電動自行車的無刷電動機及控制電路電動自行車的無刷電動機及控制電路其位置傳感器實現(xiàn)電子換向的直流無刷電動機，具有簡單、經(jīng)濟、可靠等特點，同時體積小、重量輕，給電機的小型化、輕量化帶來極大好處。因此，直流無刷電動機成為霍爾元件的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。應(yīng)用的霍爾元件有線性、開關(guān)型和鎖定開關(guān)型等三種。 采用開關(guān)型霍爾元件的直流無刷電動機的電路較簡單，且

23、因功率驅(qū)動電路工作在開關(guān)狀態(tài)下，功率驅(qū)動電路損耗小、效率高、體積小。37H3 對準(zhǔn)轉(zhuǎn)子N極；此時，H2 處于零磁場，H3 導(dǎo)通，從而使功率晶體管 VT3 導(dǎo)通，通過電流 IW3，使定子繞組 W3 呈 S 極性，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子的 N 極對準(zhǔn) H4 時，使之導(dǎo)通，進而使VT4導(dǎo)通，IW4 通過定于繞組 W4，使之呈 S 極性，繼續(xù)使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)子 N 極對準(zhǔn) W4；而后 H4 導(dǎo)通，使 VT1 導(dǎo)通。電流 IW1 通過定子繞阻 W1，使 W1 呈 S極性，繼續(xù)使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)子 N 極對準(zhǔn)繞組 W1，此時，轉(zhuǎn)子已轉(zhuǎn)一周。如此下去，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。如果改變電源極性，則電機轉(zhuǎn)

24、子反轉(zhuǎn)。 如圖所示為兩相直流無刷電動機采用四個開關(guān)型霍爾元件實現(xiàn)雙極性、四狀態(tài)的電子換向電路圖。 當(dāng)霍爾元件 H2 面向轉(zhuǎn)子N極方向，霍爾元件 H2 導(dǎo)通，為低電平，功率晶體管 VT2 導(dǎo)通，繞組W2 通過電流 IW2 ，使定子繞組W2下極性呈S極，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)，直到霍爾元件 388. 液位控制 在浮子上裝一塊小磁鋼，在兩液位極限位置上裝上霍爾開關(guān)集成電路。當(dāng)液面升、降到極限位置時，霍爾開關(guān)集成電路便輸出信號用以控制電機的開、關(guān)，從而達到控制液位的目的。399.2 磁敏電阻 磁敏電阻是基于磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)的磁敏元件。 磁敏電阻的應(yīng)用范圍比較廣，可以利用它制成磁場探測儀、位移和角度檢測器、安培

25、計以及磁敏交流放大器等。 一、磁阻效應(yīng)二、半導(dǎo)體磁敏電阻三、磁敏電阻傳感器的應(yīng)用40 當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化，這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應(yīng)。 在外加磁場作用下，運動的載流子因受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩側(cè)面有電荷積累，產(chǎn)生霍爾電場。當(dāng)洛倫茲力比霍爾電場作用力大時，它的運動軌跡就偏向洛倫茲力的方向。這些載流子從一個電極流到另一個電極所通過的路徑就要比無磁場時的路徑長些，因此增加了電阻值。磁場越強，增大電阻的作用就越強磁場越強，增大電阻的作用就越強。 遷移率越高的材料，磁阻效應(yīng)越明顯。遷移率越高的材料，磁阻效應(yīng)越明顯。另外磁阻效應(yīng)還與器件的幾何形狀有關(guān)。 根據(jù)材料的不同可分為

26、半導(dǎo)體磁敏電阻和強磁性金屬薄膜磁敏電阻。一、磁阻效應(yīng)41二、半導(dǎo)體磁敏電阻 利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)制成的磁敏電阻可以有如圖所示的幾種形式，處在垂直于紙面向外的磁場中，電子運動的軌跡都將向左前方偏移?？v長方形器件：中段由于霍爾電場作用，運動軌跡與l方向平行，只有兩端才傾斜。電子運動路經(jīng)增加不顯著，電阻增加不多；橫長方形器件：因l較短來不及形成較大的霍爾電場，磁阻效應(yīng)較明顯；圓型片器件（科比諾圓盤）：電子由中央向邊緣運動，片中任何地方都不會產(chǎn)生霍爾電場，電阻增大最明顯。但因初始電阻較小，很難實用；柵格式器件：按橫長方形器件原理把若干橫長片串聯(lián)成“弓”字形，用許多金屬短路電極短路電極將霍爾電壓短路

27、掉，電阻增加比較多。可提高靈敏度可提高靈敏度。42電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強度和遷移率的關(guān)系可表達為 wlfBK120l，w分別為電阻的長和寬； f（l / w）形狀效應(yīng)系數(shù)。 在恒定磁感應(yīng)強度下，其長度( l )比寬度( w )越小，則 /0越大。 圓盤形樣品的磁阻最大。 43三、磁敏電阻傳感器的應(yīng)用銻化銦(InSb)磁阻傳感器在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應(yīng)用 利用銻化銦（InSb）磁阻傳感器進行弱磁信號的檢測，已取得了成功，例如在磁性油墨鑒偽點鈔機中的應(yīng)用。在該元件的磁敏表面上垂直施加磁通量時，則可使其電阻發(fā)生變化。將兩只磁敏電阻RM1、RM2 串聯(lián)，施加一定的 UE 和特定磁場B；當(dāng)外磁場接

28、近兩個磁阻元件之一時，在該元件上產(chǎn)生磁通增量，使輸出電壓發(fā)生變化。MRS型系列磁敏電阻傳型系列磁敏電阻傳感器感器驗鈔筆、驗鈔儀順著紙幣上的磁性防驗鈔筆、驗鈔儀順著紙幣上的磁性防偽線掃描偽線掃描44利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀） 磁敏電阻（聚四氟乙烯封磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）裝）459.3 結(jié)型磁敏管 霍爾元件和磁敏電阻均是用霍爾元件和磁敏電阻均是用 N 型半導(dǎo)體材料制成的體型元件。型半導(dǎo)體材料制成的體型元件。 磁敏二極管和磁敏三極管（結(jié)型磁敏管）是磁敏二極管和磁敏三極管（結(jié)型磁敏管）是 PN 結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件，它們具有輸出信號大、靈敏度高、工作電流小和體積小等特點，

29、比較適合磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測和控制。 一、磁敏二極管二、磁敏三極管三、結(jié)型磁敏管傳感器的應(yīng)用46一、磁敏二極管 1. 磁敏二極管（SMD）結(jié)構(gòu) 磁敏二極管在 P，N 之間有一個較長（載流子擴散長度的5倍以上）的本征區(qū) I，本征區(qū) I 的一面磨成光滑的復(fù)合表面（為 I 區(qū)），另一面用噴砂法打毛，形成高復(fù)合區(qū)（為 r 區(qū)），其目的是因為電子空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通以正向電流后就會在 P+IN+結(jié)之間形成電流。由此可知，磁敏二極管是 PIN 型的。 472. 磁敏二極管的工作原理v 當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場作用時，外加正偏壓，如圖（b）所示，則有大量的空穴從 P 區(qū)通過 I 區(qū)

30、進入 N 區(qū)，同時應(yīng)有大量電子注入 P 區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在 I 區(qū)和 r 區(qū)復(fù)合掉。v 當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場 B+（正向磁場）作用時，如圖 （c）所示，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向 r 區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于 r 區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面 I 區(qū)快，因此，形成的電流因復(fù)合速度快而減小。 v 當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場 B （反向磁場）作用時，如圖（d）所示，電子、空穴受到洛侖茲力作用而向 I 區(qū)偏移，由于電子、空穴復(fù)合率明顯變小，則電流變大。 磁敏二極管加正向偏壓 ，在磁場強度的變化下，其正向電流發(fā)生變化，實現(xiàn)了磁電轉(zhuǎn)換。正磁場越強，電流越小，表示磁阻增加；負(fù)磁場越強，電流越大，表示磁阻減小。4