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1、磁敏傳感器,通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。,霍耳效應(yīng)原理圖,,+,,,,,,,,,,,,,,,,I,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,,,,,,,,l,w,,,d,,,,,VH,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，霍耳電勢應(yīng)為：,UH KH I B,H KH I B sin,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。,80,,,,
2、,,,,,60,40,20,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,VH/(mV),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,=,=7.0,=1.5,=3.0,B(T),,,理論值,實(shí)際值,霍耳電勢的負(fù)載特性,=R3/R2,,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）與溫度的關(guān)系,,,,,,,,,,,,,,,,,,RH/cm2/A-1,250,200,150,100,50,,40,80,120,160,200
3、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,LnSb,LnAs,T/,,,,,,,,,,,,,0,2,4,6,/710-3cm,,LnAs,200,150,100,50,,,,,,,,,,,,,,,,,LnSb,T/,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。霍耳器件可用于微波范圍，其輸出不受頻率影響。 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(duì)器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)
4、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(hào)，或兩者同時(shí)作為輸入信號(hào)。 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：傳感器輸出電壓對(duì)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,原理：利用霍耳效
5、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(hào)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),12,,,,,
6、,,,,,ON,OFF,BRP,BOP,,,,BH,B,0,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
7、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：,為磁感應(yīng)強(qiáng)度； 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻率； 0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率； 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LW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
8、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。,,,,,,,,,,,,L,,W,,,,,,,,,B,B,I,I,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(jí)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(jí)管用=40cm左右的P型或N型單晶(鍺本
9、征半導(dǎo)體的=50cm)，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2ACM1A為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P+iN+型。,磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào) (a)結(jié)構(gòu); (b)電路符號(hào),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(duì)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
10、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，,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,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(hào) a)結(jié)構(gòu) b)符號(hào),,,,,,,,,,,,,,,,r,,N+,N+,c,e,H-,H+,,,P+,b,,,,,,,,,,,c,e,b,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,H,,,H,,,磁電特性：磁敏三極管最重要的工作特性。,磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用 磁敏管有較高的磁靈敏度，體積和功耗很小，能識(shí)別磁場極性。 可用于磁場探測儀器如漏磁測量儀、地磁測量儀等。 由于通電導(dǎo)線周圍具有磁場，磁場的強(qiáng)弱取決于通電導(dǎo)線中電流大小，利用磁敏管采用非接觸方法來測量導(dǎo)線中電流。 利用磁敏管制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測高達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速)，可制成無觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。,
傳感器檢測技術(shù)磁敏傳感器
