传感器检测技术磁敏传感器

KH—霍耳器件的乘积灵敏度，与材料的物理性质和几何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。假设磁感应强度B的方向与电流方向夹角为α，霍耳电势应为：UH＝KH

IBＵH＝KHIBsinα

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。第一页，共31页。806040200VH/(mV)λ=∞B(T)理论值实际值霍耳电势的负载特性λ=R3/R2

VHR3I霍耳电势随负载电阻值而改变的情况第二页，共31页。温度特性霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。可归结为霍耳系数和电阻率(或电导率)与温度的关系。霍耳材料的温度特征〔a〕RH与温度的关系；〔b〕ρ与温度的关系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0第三页，共31页。频率特性

磁场恒定：给传感器通入交变电流。到10kHz时交流输出的频率特性很好。霍耳器件可用于微波范围，其输出不受频率影响。

磁场交变：霍耳电势不仅与频率有关，还与器件的电导率、周围介质的磁导率、磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件内部产生涡流。在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，假如能仔细设计气隙宽度，选用适宜的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。第四页，共31页。霍尔传感器的应用

霍尔电势大小与磁场强度B和控制电流I二者的乘积成正比。实用中可以把I或B作为输入信号，或两者同时作为输入信号。霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型和开关量输出型两种。

1)线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与通过的磁场强度B成线性比例关系。用于磁场检测等场合。第五页，共31页。单端输出传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675

双端输出传感器的电路结构框图

单端输出：传感器输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。双端输出：传感器是一个8脚双列直插封装的器件，可提供差动输出。第六页，共31页。测量磁场的大小和方向电位差计mAESNR霍耳磁敏传感器测磁原理示意图第七页，共31页。原理：利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成，能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。特点：霍耳开关集成传感器使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境。2)霍耳开关集成传感器第八页，共31页。由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。霍耳开关集成传感器的构造及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H第九页，共31页。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，图中的BOP为工作点“开〞的磁感应强度，BRP为释放点“关〞的磁感应强度。VOUT(V)12ONOFFBRPBOPBHB0外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。第十页，共31页。第十一页，共31页。第十二页，共31页。霍耳传感器的仪器优点：(1)体积小，构造简单、寿命长。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。缺点：转换效率低，受温度影响大。随着新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到抑制。第十三页，共31页。第十四页，共31页。第十五页，共31页。第十六页，共31页。第十七页，共31页。第十八页，共31页。二、磁敏电阻电阻随磁场变化而改变的敏感元件，也称MR元件，它的理论根底为磁阻效应。磁阻效应给通电的金属或半导体材料薄片加上与电流垂直或平行的外磁场，那么其电阻值会变化。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。第十九页，共31页。在磁场中，电流的流动途径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。假设某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率非常悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化，它可表示为：Ｂ——为磁感应强度；ρ——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率；ρ0

——材料在磁感应强度为0时的电阻率；μ——载流子的迁移率。第二十页，共31页。没有栅格时，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在L>W长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条(即短路栅格)，相当于许多扁条状磁阻串联。栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又进步了磁阻器件的灵敏度。LWBBII

a

b第二十一页，共31页。三、磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁敏电阻之后开展起来的磁电转换元件。优点：磁灵敏度高，磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍；能识别磁场的极性；体积小、电路简单，应用广泛；在检测、控制等方面普遍应用。第二十二页，共31页。磁敏二极管的构造与工作原理与普通二极管区别：普通二极管PN结的长度很短，防止载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结很长，大于载流子的扩散长度，由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用ρ=40Ω•cm左右的P型或N型单晶(锗本征半导体的ρ=50Ω•cm)，在它的两端有P型和N型锗，假设r表示本征，那么其PN结实际上是由Pr结和Nr结共同组成。以2ACM—1A为例，磁敏二级管的构造是P+—i—N+型。第二十三页，共31页。+（b）磁敏二极管的构造和电路符号(a)构造;(b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流〔a〕在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区(i)区的一个侧面上，设置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合外表，构成磁敏二极管的管芯。第二十四页，共31页。流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。

磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极，即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，PNH－电流（b）iPNH＋电流（c）iPNH=0→→→←←←电流（a）i电子空穴复合区第二十五页，共31页。磁电特性：在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场变化的关系

磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时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以下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。第二十六页，共31页。磁敏三极管的构造与原理磁敏三极管的构造：NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结——即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。在长基NPN型磁敏三极管的构造和符号a)构造b)符号rN+N+ceH-H+P+bceb区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部分。i第二十七页，共31页。磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）磁敏三极管