第9章磁敏式传感器

霍尔传感器磁敏电阻磁敏二极管、磁敏晶体管磁敏式传感器磁电式传感器种类：变磁通式，也称磁阻式，由被测物体运动改变磁阻，线圈与磁铁之间没有相对运动； 恒磁通式，线圈与磁铁之间存在相对运动，分为动圈式和动铁式。原理：根据电磁感应定律，在任何电路或与磁通φ交链的w匝线圈中，当φ随时间变化时，将感应出与磁通变化速率成正比的电压或电势：磁电式传感器例1：闭磁路变磁通式由被测物体运动引起磁通量变化，在线圈中产生感应电势。频数转速偏心量振动量磁电式传感器例2：动铁恒磁通式，包括动圈式和动铁式，线圈和磁铁间存在相对运动。B0——工作气隙磁感应强度；L——每匝线圈平均长度；W——线圈匝数；v——相对运动速度构成线速度传感器磁电式传感器例3：电磁流量计——在导电的、非磁性液体外部建立激励磁场，将产生与磁场和流动方向垂直的电动势。

此方法适用于导电、非磁性液体，输出与液体、密度、温度、粘滞度等无关，可用于血液流量测量。液体流动方向由外到内磁电式传感器

置于磁场中的载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器动画效果

霍尔式传感器基本原理载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转，从而形成电场E，当载流子受到的电场力与洛伦兹力达到动态平衡时，累积电荷形成稳定的电势UH

。其中——霍尔常数

——磁场与元件平面法线方向的夹角

d——与磁场方向一致的霍尔元件厚度 由得知，d越小，越大，则感生电动势越大，故一般霍尔元件是由霍尔系数很大的N型半导体材料制作的薄片，厚度微米级。霍尔式传感器的结构霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。

霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。霍尔式传感器的材料霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。霍尔集成传感器有线性型和开关型两种。霍尔式传感器的测量电路线性型霍尔集成传感器将霍尔元件、恒流源和线性放大器等集成在一块芯片上，输出电压较高（伏级），使用方便。线性型霍尔式传感器开关型霍尔集成传感器将霍尔元件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在一块芯片上。当外加磁场强度达到或超过工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出变为高电平。开关型霍尔式传感器应用：磁场强度传感器（高斯计）；电流、电压传感器；位移、压力、加速度传感器等。特点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等。霍尔式转速测量传感器——根据霍尔传感器的输出脉冲数可计算出车轮转速霍尔式传感器的应用

霍尔器件在x方向上长度为b，x0是位于气隙下的初始长度。此传感器常采用差动结构。霍尔式位移传感器ΔxUH0计数传感器霍尔式计数传感器霍尔式传感器的应用霍尔电流传感器霍尔电压传感器

目前汽车中大部分使用的还是接触型的传感器，非接触型传感器的价格不占优势，但它却具有环保、耐用、抗震、易安装等接触型传感器无法匹敌的优点，向非接触传感方向发展将是大势所趋。在非接触型传感器中，凭借着高可靠性等优势，霍尔效应传感器(HallEffectSensor)在汽车领域赢得广泛的应用空间。如检测齿轮齿速、油门位置、尾气再循环阀位置、马达与传动的速度和位置、用于防锁闸和牵引系统的车轮速度传感器、脚踏板、座椅安全带、刹车与离合器的位置、车锁、车窗及油耗等诸多方面。

当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。式中：ρ0——零磁场时的电阻率；

Δρ——磁感应强度为B时电阻率的变化量；

K——比例因子；

μ——电子迁移率；

B——磁感应强度；

L，b——分别为磁敏电阻的长（沿电流方向）和宽；

f(L/b)——形状效应系数。磁敏电阻磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。与霍尔效应的区别：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。磁阻效应磁敏电阻常选用锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和锑化铌（NiSb）等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）。磁敏电阻的结构和特性主要特性：磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度特性：温度系数影响大；频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍尔元件大。磁敏电阻的结构和特性接近开关和无触点开关、计数器；无接触线位移传感器；力、加速度等参数的测量；精密倾斜角测量等。R1、R2磁敏电阻位移传感器磁敏电阻的应用

线性、角度、旋转位移传感器，可以测量磁场强度。磁敏二极管、三极管P型和N型电极由高阻材料制成，I为本征区。I区的r面粗糙，设置成高复合区（r区），目的是使电子－空穴对易于在粗糙表面复合而消失；另一面比较光滑。磁敏二极管磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向r区偏转，电子和空穴复合速度加快，所形成的电流减小；当磁敏二极管受到外界磁场H－作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向I区偏转，电子和空穴复合速度减慢，所形成的电流增大。磁敏二极管工作原理

如果外加正向偏压，即P区接正，N区接负，那么将会有大量空穴从P区注入到I区，同时也有大量电子从N区注入到I区，如将这样的磁敏三极管置于磁场中，则注入的电子和空穴都要受到洛仑兹力的作用而向一个方向偏转，当磁场方向使电子和空穴向r面偏转时，它们将因复合而消失，因而电流很小；当磁场方向使电子和空穴向光滑面偏转时它们的复合率变小，电流就大。磁敏三极管工作原理由此可见，高复合面与光滑面的复合率差别愈大，磁敏三极管的灵敏度也就愈高。磁敏三极管在不同的磁场强度和方向下的伏安特性曲线不同。利用这些特性曲线就能根据某一偏压下的电流值来确定磁场的大小和方向。

在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。当受到正向磁场(H+)作用时，载流子向发射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。(1)灵敏度高，磁敏三极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。(2)具有正反磁灵敏度，这一点是磁阻器件所欠缺的。(3)