傳感器檢測技術(shù)磁敏傳感器

KH—霍耳器件的乘積靈敏度，與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與電流方向夾角為α，霍耳電勢應(yīng)為：

UH＝KH

IBＵH＝KHIBsinα

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢并不改變方向。8060402000.20.40.60.81.0VH/(mV)λ=∞λ=7.0λ=1.5λ=3.0B(T)理論值實(shí)際值霍耳電勢的負(fù)載特性λ=R3/R2

VHR3I霍耳電勢隨負(fù)載電阻值而改變的情況溫度特性霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性?？蓺w結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率(或電導(dǎo)率)與溫度的關(guān)系。霍耳材料的溫度特征（a）RH與溫度的關(guān)系；（b）ρ與溫度的關(guān)系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0頻率特性

磁場恒定：給傳感器通入交變電流。到10kHz時(shí)交流輸出的頻率特性很好?；舳骷捎糜谖⒉ǚ秶漭敵霾皇茴l率影響。

磁場交變：霍耳電勢不僅與頻率有關(guān)，還與器件的電導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率、磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件內(nèi)部產(chǎn)生渦流。

在交變磁場下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí)，可以不考慮頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度，選用合適的元件和導(dǎo)磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。

霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢大小與磁場強(qiáng)度B和控制電流I二者的乘積成正比。實(shí)用中可以把I或B作為輸入信號，或兩者同時(shí)作為輸入信號。霍爾傳感器按其輸出特性分為線性輸出型和開關(guān)量輸出型兩種。

1)線性輸出將霍爾元件和放大電路做成一體。輸出電壓與通過的磁場強(qiáng)度B成線性比例關(guān)系。用于磁場檢測等場合。單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖

單端輸出：傳感器輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。雙端輸出：傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，可提供差動(dòng)輸出。測量磁場的大小和方向電位差計(jì)mAESNR霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖原理：利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成，能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出。特點(diǎn)：霍耳開關(guān)集成傳感器使用壽命長、無觸點(diǎn)磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境。2)霍耳開關(guān)集成傳感器

由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。

霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線

從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。VOUT(V)12ONOFFBRPBOPBHB0外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。霍耳傳感器的儀器優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡單、壽命長。

(2)無可動(dòng)部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。

(3)裝置性能穩(wěn)定，可靠性高。

(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。

(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。缺點(diǎn)：

轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。隨著新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。二、磁敏電阻

電阻隨磁場變化而改變的敏感元件，也稱MR元件，它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)

給通電的金屬或半導(dǎo)體材料薄片加上與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值會(huì)變化。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。

在磁場中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化，它可表示為：Ｂ——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ時(shí)的電阻率；ρ0

——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；μ——載流子的遷移率。

沒有柵格時(shí)，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小。在L>W長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條(即短路柵格)，相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。LWBBII

a

b

三、磁敏二極管和磁敏三極管

磁敏二極管、磁敏三極管是霍耳元件和磁敏電阻之后發(fā)展起來的磁電轉(zhuǎn)換元件。優(yōu)點(diǎn)：磁靈敏度高，磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍；能識(shí)別磁場的極性；體積小、電路簡單，應(yīng)用廣泛；在檢測、控制等方面普遍應(yīng)用。

磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的長度很短，避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級管的PN結(jié)很長，大于載流子的擴(kuò)散長度，由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級管用ρ=40Ω?cm左右的P型或N型單晶(鍺本征半導(dǎo)體的ρ=50Ω?cm)，在它的兩端有P型和N型鍺，若r表示本征，則其PN結(jié)實(shí)際上是由Pr結(jié)和Nr結(jié)共同組成。以2ACM—1A為例，磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu);(b)電路符號H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)(i)區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面，構(gòu)成磁敏二極管的管芯。流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。

磁敏二極管的工作原理當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極，即外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，PNH－電流（b）iPNH＋電流（c）iPNH=0→→→←←←電流（a）i電子空穴復(fù)合區(qū)磁電特性：在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場變化的關(guān)系

磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個(gè)使用時(shí)（b）互補(bǔ)使用時(shí)B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0

3kΩREE=12V（18V）Td=20℃（a）（b）ΔU/VΔU/V

下圖給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

磁敏三極管的結(jié)構(gòu)：NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件。在長基NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號a)結(jié)構(gòu)b)符號rN+N+ceH-H+P+bceb區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。i磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+b