其他磁敏器件

1、長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室課題二 其他磁敏器件任務(wù)：自動(dòng)統(tǒng)計(jì)鋼球生產(chǎn)個(gè)數(shù)裝置電路的設(shè)計(jì) 任務(wù)目標(biāo) 熟悉磁敏電阻的原理，了解磁敏電阻的基本結(jié)構(gòu)和特性參數(shù)； 熟悉磁敏二極管、磁敏三極管的結(jié)構(gòu)、原理及特性； 利用磁敏器件設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)小鋼球生產(chǎn)個(gè)數(shù)的電路。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室磁敏電阻是利用磁電阻效應(yīng)制成的磁敏元件，也稱為MR傳感器。所謂磁電阻效應(yīng)是指某些材料的電阻值隨磁場而變化的現(xiàn)象。磁電阻效應(yīng)的大小與元件的遷移率和幾何形狀有關(guān)；前者稱為物理磁電阻效應(yīng)，后者稱為幾何磁電阻效應(yīng)。按照所用感磁材料不同，磁敏電阻有半導(dǎo)體材料構(gòu)成的半導(dǎo)體磁敏電阻和金屬材料構(gòu)成的強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻。一、磁

2、敏電阻長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室無磁場時(shí)，元件的電流矢量一般呈直線狀，當(dāng)磁場垂直加在元件表面上時(shí)，由于霍爾電場和洛倫茲力的作用，電流矢量偏離合成電場方向 角（霍爾角，如圖7-20（c）所示），電流經(jīng)過的路徑就變長了，于是電阻值也相應(yīng)地增加。其中的電流矢量隨磁場而異，阻值也就隨著磁場而變化，稱為物理磁阻效應(yīng)。為了使磁敏電阻的磁阻效應(yīng)更為顯著（即靈敏度高），必須選用載流子遷移率大的材料。 1半導(dǎo)體磁敏電阻 磁阻效應(yīng)示意圖長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻 強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻是基于強(qiáng)磁性磁敏效應(yīng)的，這種效應(yīng)的基本特征是在電流方向平行磁化方向（外部磁場方向）時(shí)材料的電阻率與在電

3、流方向垂直磁化方向時(shí)的電阻率不同，即因強(qiáng)磁材料的磁化方向與電流方向夾角不同，其阻值有所不同。此現(xiàn)象稱為磁各向異性效應(yīng)（簡稱AMR）。如圖7-22所示，若沿著一條長而薄的鐵磁合金（鐵鎳合金）帶的長度方向加一個(gè)電流，在沿薄片垂直電流的方向施加一個(gè)磁場，合金帶自身的阻值會(huì)發(fā)生變化。磁化方向平行于電流方向時(shí)強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻阻值最大，磁化方向垂直于電流方向時(shí)強(qiáng)磁性薄膜磁敏電阻阻值最小。 強(qiáng)磁性磁敏效應(yīng)示意圖長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（1）靈敏度KRB/R0的比值稱為磁敏電阻的靈敏度。R0為無磁場時(shí)元件的阻值，RB是磁場強(qiáng)度為B時(shí)的電阻值。有的廠家也用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示。（2）磁阻

4、特性曲線（B-R特性）某型號(hào)磁敏電阻的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化的曲線如圖7-24所示。磁敏元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加。（3）溫度系數(shù)溫度每變化1時(shí)，磁敏電阻的相對(duì)變化（%/）稱為溫度系數(shù)。為了補(bǔ)償磁敏電阻的溫度特性，可以采用兩個(gè)磁敏電阻串聯(lián)，用分壓輸出，可大大改善元件的溫度特性。 3磁敏電阻的主要特性長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖7-24 磁阻特性曲線 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室二、磁敏二極管與磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管具有響應(yīng)快、無觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，有很高的靈敏度，可以在較弱的磁場條件下獲得較大的輸出電壓，這是霍爾元件和磁敏電阻所

5、不及的。它不但能檢測出磁場大小，并且能測出磁場方向，體積小、測試電路簡單，所以特別適合制作無觸點(diǎn)開關(guān)、小量程高斯計(jì)、漏磁測量儀、磁力探傷儀等儀器和儀表。1磁敏二極管（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理磁敏二極管是一種電阻值隨磁場強(qiáng)度的大小和方向均改變的結(jié)型二端磁敏元件。 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖7-26 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與符號(hào) 高復(fù)合區(qū)本征區(qū)低復(fù)合面長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室磁敏二極管是采用電子空穴雙重注入效應(yīng)及復(fù)合效應(yīng)原理工作的。當(dāng)加上正向電壓時(shí)，二極管的阻值將隨磁場的大小和方向而改變，并且隨著磁場大小和方向的變化可產(chǎn)生正/負(fù)輸出電壓的變化，利用這一點(diǎn)可以判別磁場方向。若在磁敏二

6、極管上加上反向電壓，僅有微小電流流過，并且?guī)缀跖c磁場無關(guān)，兩端的電壓也不會(huì)因受到磁場作用而有任何改變。因此磁敏二極管只能在正向電壓下工作。 圖7-27 磁敏二極管工作原理圖 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2）磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù) 靈敏度。靈敏度是指在恒定電壓（6V）作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度由B=0變?yōu)锽=0.1T時(shí)所引起的磁敏二極管工作電流的相對(duì)變化量，即00I00100%100%0.1IIIISB II 電流相對(duì)靈敏度0I0.1IIISB 電流絕對(duì)靈敏度電壓相對(duì)靈敏度 電流恒定電流恒定（I=3mA）0U0100%0.1UUSU長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室 磁電特性。磁敏二極管的磁電特性

7、是指在一定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場的關(guān)系，其特性曲線如圖7-28所示。在弱磁場及一定的工作電流下，曲線有較好的線性，在強(qiáng)磁場下則呈非線性。0U0.1UUUSB電壓絕對(duì)靈敏度 伏安特性。伏安特性是指在給定磁場下磁敏二極管兩端正向偏壓和其中通過的電流關(guān)系。如圖7-29所示是磁敏二極管在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)的伏安特性曲線。由曲線可見，通過磁敏二極管的電流越大，則在一定磁場強(qiáng)度下輸出電壓越大，磁靈敏度越高。圖7-28圖7-29長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室 溫度特性。磁敏二極管的溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，其輸出電壓的變化量U隨溫度變化的規(guī)律。圖7-30所示為磁敏二極管的溫度特性曲

8、線，溫度越高，工作電壓和靈敏度均下降得越多。圖7-30 磁敏二極管的溫度特性曲線 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（3）應(yīng)用實(shí)例 位移測量：利用兩個(gè)磁敏二極管可以組成差動(dòng)輸出式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)及電路如圖7-31所示。導(dǎo)磁板放置在兩個(gè)磁敏二極管的中間，當(dāng)導(dǎo)磁板向右或向左移動(dòng)時(shí)，磁敏二極管VD2和VD1因離導(dǎo)磁板距離發(fā)生變化，導(dǎo)致其電阻的改變，電橋失去平衡，輸出與位移成比例的信號(hào)。測量出電信號(hào)，就可以計(jì)算出位移量。圖7-31 位移傳感器電路 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室2磁敏三極管 （1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理圖7-32所示為NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)。磁敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)，其

9、中發(fā)射極e和基極b之間的PN結(jié)是長基區(qū)二極管，在長基區(qū)i區(qū)的側(cè)面設(shè)置一高復(fù)合區(qū)（r區(qū)）。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖7-33 磁敏三極管的工作原理 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室綜上所述，磁敏三極管工作原理與磁敏二極管完全相綜上所述，磁敏三極管工作原理與磁敏二極管完全相同。無外界磁場作用時(shí)，由于同。無外界磁場作用時(shí)，由于i區(qū)較長，在橫向電場作區(qū)較長，在橫向電場作用下，發(fā)射極電流大部分形成基極電流，小部分形成用下，發(fā)射極電流大部分形成基極電流，小部分形成集電極電流。在正向或反向磁場作用下，會(huì)引起集電集電極電流。在正向或反向磁場作用下，會(huì)引起集電極電流的減小或增加，即三極管的極電流的減小或

10、增加，即三極管的 值是隨磁場變化值是隨磁場變化而變化的。因此，可以用磁場方向控制集電極電流的而變化的。因此，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(qiáng)弱控制集電極電流增加或減增加或減小，用磁場的強(qiáng)弱控制集電極電流增加或減小的變化量。小的變化量。長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室（2）磁敏三極管的主要技術(shù)參數(shù) 靈敏度h。磁敏三極管的靈敏度有正向靈敏度和負(fù)向靈敏度兩種，它們表示當(dāng)基極電流恒定在IB=2mA（鍺管）或IB=3mA（硅管）時(shí)，外加磁感應(yīng)強(qiáng)度由B=0變?yōu)锽=0.1T所引起的集電極電流的相對(duì)變化量，即 CC0C0100%0.1IIhI 磁電特性。磁敏三極管的磁電特性為在基極電流恒定

11、時(shí)，集電極電流的變化量IC與外加磁場的關(guān)系曲線。圖7-34所示為NPN型鍺磁敏三極管3BCM的磁電特性曲線。從圖中可以看出，在弱磁場區(qū)，曲線幾乎成線性變化，在強(qiáng)磁場區(qū)，曲線趨于飽和，與磁敏二極管相似。 圖7-34長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室 溫度特性。磁敏三極管的溫度特性是指集電極電流隨溫度變化的特性。這種特性常用溫度系數(shù)來表示。溫度對(duì)磁敏三極管集電極輸出電流的影響較大，并且溫度越高，磁敏三極管對(duì)溫度越敏感，因此實(shí)際使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 溫度補(bǔ)嘗電路（a）溫度補(bǔ)嘗電路（b）溫度補(bǔ)嘗電路（c）長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室自動(dòng)統(tǒng)計(jì)鋼球生產(chǎn)個(gè)數(shù)裝置電路三、任務(wù)分析 小鋼球在工作臺(tái)面上滾動(dòng)，

12、磁檢測裝置安裝在臺(tái)面下方進(jìn)行檢測統(tǒng)計(jì)，如圖7-35所示。要統(tǒng)計(jì)出鋼球數(shù)量，首先要檢測到有鋼球通過，然后才是計(jì)數(shù)。由于鋼球通過會(huì)影響磁路和磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小會(huì)發(fā)生不大的變化，此變化產(chǎn)生信號(hào)不大，故要進(jìn)行放大，接著進(jìn)行整形變換成脈沖信號(hào)適合計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。故本任務(wù)的電路結(jié)構(gòu)如圖7-36所示。 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室圖7-35 檢測鋼球裝置示意圖 圖7-36 統(tǒng)計(jì)鋼球個(gè)數(shù)裝置電路的結(jié)構(gòu)框圖 長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室四、任務(wù)設(shè)計(jì) 圖7-37 檢測計(jì)數(shù)裝置的電路圖線性型霍爾傳線性型霍爾傳感器感器 反相比例放反相比例放大大長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室階段小結(jié)本課題主要介紹了磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管的工作原理及特性參數(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)小鋼球個(gè)數(shù)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的電路。半導(dǎo)體元