传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,*,第七章 磁电传感器,第一节 霍尔传感器,一、霍尔效应,二、霍尔元件的基本特性,三、测量电路,四、误差及其补偿,五、集成霍尔传感器,六、霍尔传感器的应用,第二节 磁敏电阻,一、磁阻效应,二、磁敏电阻的基本特性,三、磁敏电阻的应用,第三节 磁敏二极管和磁敏三极管,一、磁敏二极管,二、磁敏三极管,三、磁敏管的应用,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,第七章 磁电传感器,磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管及磁敏三极管。,第一节 霍尔传感器,霍尔是美国的一位物理学家，他在,1879,年首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,一、霍尔效应,如图,7,1,所示，,在,(,金属）半导体薄片上垂直施加磁场,B,，在薄片两短边,b,方向通入控制电流,I,，则在薄片两长边,L,方向产生电动势，这种现象称之为霍尔效应，该电动势称为霍尔电压,U,H,，该半导体薄片称为霍尔元件。,图,7,1,霍尔效应原理图,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,1,中，,v,表示半导体中电子在控制电流,I,作用下的运动方向和速度，,F,L,表示电子受到磁场的洛伦兹力,，其大小为,式中,q,为电子的电荷量，,F,L,方向符合左手掌定则,运动电子在洛伦兹力,F,L,的作用下，电子以抛物线形式向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力,F,E,F,E,表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力,F,E,与洛伦兹力,F,L,相等时，电荷积累达到动态平衡。,F,E,=qE,H,=U,h,/,b,I=-nqvbd,(7-1),传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,式中,R,H,霍尔常数（,m,3,/c,）,霍尔元件形状系数,d,霍尔元件厚度（,m,）,L,霍尔元件长度（,m,）,b,霍尔元件宽度（,m,）,I,控制电流（,A,）,B,磁感应强度（特斯拉,T,，即,Wb/m,2,）,（,7,2,）,霍尔电压,U,H,的大小为,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后，霍尔元件的,输出电压,U,H,正比于控制电流,I,和磁感应强度,B,。,令 ，称之为霍尔元件灵敏度，,则（,7,2,）改写为,（,7,3,）,二、霍尔元件的基本特性,霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成，其电路符号如图,7,2,所示。图中两短边引线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压；霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,2,霍尔元件电路符号,由式（,7,2,）可知，要使霍尔元件有较高的灵敏度，必须要求霍尔元件材料有较大的霍尔常数。霍尔常数,R,H,等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；,只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大,。目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,常用半导体材料的特性,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如下几个基本特性。,1,U,H,I,特性,当,K,H,和,B,为定值时，在一定的温度下，霍尔电压,U,H,与控制电流,I,有较好的线性关系，此时,I,对,U,H,有较高的灵敏度。利用这一特性，霍尔元件,可直接用于测量电流或激励源电压,，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。,2,U,H,B,特性,当,K,H,和,I,为定值时，霍尔电压,U,H,与磁场,B,具有单值关系，在磁不饱和时（一般,B,小于,0.5T,）,U,B,与,B,具有线性关系。利用这一特性，霍尔元件,可用于测量交、直流磁感应强度或磁场强度,；若,B,为一个均匀梯度的磁场，则霍尔电压,U,B,取决于霍尔元件在磁场中的位置，从而实现微位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的测量。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,3,U,H,IB,特性,利用,U,H,与,IB,的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器，当控制电流,I,和磁场,B,为同一电源激励时，,可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量,。,4,开关特性,霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（,10,12,10,14,S,），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件,可用于制作计数器或转速计,。,5,集成特性,霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作成,集成霍尔传感器,。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,三、测量电路,霍尔元件基本测量电路如图,7,4,所示。霍尔电压,U,H,一般为毫伏数量级，因而实际应用时霍尔效应输出电压,U,H,要接差动放大器；根据霍尔元件工作条件不同，霍尔电压可以是线性量或开关量，因而其测量电路可能是线性型或开关型。,（,a,）线性型 （,b,）开关型,图,7,4,霍尔元件测量电路,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,四、误差及其补偿,1,零位误差及其补偿,霍尔元件在控制电流,I,=0,或磁场,B,=0,时出现的霍尔电压,U,H,，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下三个因素。,（,1,）,直流寄生电势,霍尔元件控制电流或霍尔电压,两引线电极焊点,大小不等、热容量不同,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而,引起温差电势,。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。,（,2,）,寄生感应电势,当控制电流,I,为交变电流时,此电流形成的交变磁场,在电极引线上要产生寄生感应电势,。为了减小寄生感应电势,要求各电极引线尽可能短,且布线合理以减少磁交链。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,（,3,）,不等位电势,(,零位误差的主要原因）,霍尔元件控制电流,I,和霍尔电压,U,H,的,四电极分布不对称而引起的寄生不等位电势,。如图,7,5,所示，当各电极,a,、,b,、,c,、,d,对称分布时，各电极之间的电阻,r,1,、,r,2,、,r,3,、,r,4,相等，此时电阻桥平衡，寄生霍尔电压,U,H,= 0,。当各电极分布不对称时，两个霍尔电极不在一个等位面上，电阻桥失去平衡，故产生不等位寄生电势。,图,7,5,霍尔元件不等位电势原理图,a,）不对称电极 （,b,）电极等效电桥,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,不等位电势是产生零位误差的主要原因，其大小通常具有霍尔电压,U,H,相同的数量级,，目前在工艺上很难保证电极分布的对称性，因而必须采取电路补偿的方法以消除不等位电势。图,7,6,给出了两种补偿电路，图中（,a,）是电阻值较大的桥臂上并联电阻，图中（,b,）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。,图,7,6,不等位电势补偿电路,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,2,温度误差及其补偿,霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：半导体的固有特性；半导体制造工艺缺陷。其主要表现形式为温度误差和零位误差。一般来说，,温度升高,半导体材料的电阻率（下降）和迁移率（下降）载流子浓度（增加）,R,H,下降,，霍尔元件中常用的几种材料，硅比锗温度系数小一些，梯化铟对温度最敏感，但其霍尔常数大，砷化铟温度系数最小，但其霍尔常数小。不同材料的霍尔元件都具有一定的温度系数，致使霍尔电压,U,H,随温度而变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件或采取恒温措施外，通常,可采用图,7,7,所示恒流源控制,电路补偿方法。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,在图,7,7,电路,中,电流,I,为恒定电流，不受温度影响；电阻,r,H,为霍尔元件等效输入电阻，并联,r,T,为外接补偿电阻，,r,T,具有如,r,H,相同的正温度系数,此时霍尔元件的控制,电流 基本不变。,-,霍尔器件内阻温度系数,-,霍尔电势温度系数（查元件参数表、或产品说明书）,图,7,7,温度补偿电路,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,电桥补偿电路。,RP,用于调节补偿不等位电势。在霍尔元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上,R1R4,均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻,R,t。,当温度变化时，,R,t,阻值随之变化，使补偿电桥的输出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，便可以做到一定温度范围内4040，在1、2两点间的霍尔电势与温度基本无关,。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,五、集成霍尔传感器,随着硅集成电路工艺日趋完善，可以把霍尔元件和测量电路集成在一起而组成集成霍尔传感器。目前已研制出多种集成霍尔传感器，按其功能不同可分为两大类，,即开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。,1,开关型集成霍尔传感器（控制电路）,开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出电压经电路处理后形成一个高电平或低电平的开关量输出，集成电路主要由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器等部分组成，如图,7,8,所示。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,8,开关型集成霍尔传感器原理框图,霍尔元件一般由平面型硅霍尔元件组成，在,0.1T,磁场作用下，其开路输出电压约,20mV,，接负载后不低于,10mV,。由于霍尔元件输出电压随温度上升而下降，因而通常选用具有负温度系数二极管与霍尔元件串联，温度上升使串联二极管正向压降下降，从而补偿霍尔输出电压。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,9,输出电平与磁感应强度关系,差分放大器采取双端输入、双端输出工作方式，将霍尔输出电压放大几十倍；其共模反馈电阻进一步消除温度对输出电压的影响，增强抗干扰能力。,开关型集成霍尔传感器输出电平具有迟滞现象，其回差宽度,B,=,B,H,B,L,。,B,越小，电平转移灵敏度就越高；反之，,B,越大，输出电平抗干扰能力越强。,施密特触发器将差分放大器输出电压整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。整形后输出的矩形脉冲经倒相后加至输出级，使输出电平与磁感应强度之间的关系如图,7,9,所示。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,2,线性型集成霍尔传感器（测量电路）,线性型集成霍尔传感器的输出电压与外加磁感应强度之间呈线性比例关系、集成电路主要由霍尔元件和差分放大器组成，差分放大器有单端输出和双端输出两种形式，如图,7,10,所示。,图,7,10,线性型集成霍尔传感器原理框图,（,a,）单端输出 （,b,）双端输出,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,差分放大器通常为两级差分放大电路，第二级差分放大采用达林顿管，全电路的增益可达,1000,倍，因而灵敏度大大提高；在磁不饱和的情况下，输出电压与磁感应强度有很好的线性关系。这种电路内部一般都没有电源调整电路和附加温度补偿电路，应用时最好外加稳压电路及温度补偿措施。,六、霍尔传感器的应用,霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。,1,高斯计,如图,7,11,所示，将霍尔元件垂直置于磁场,B,中，输入恒定的控制电流,I,，则霍尔输出电压,U,H,正比于磁感应强度,B,，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,11,高斯计原理图,(,测恒定、交变磁场）图,7,12,电流计原理图,2,电流计,如图,7,12,所示，将霍尔元件垂直置于磁环开口气隙中，让载流导体穿过磁环，由于磁环气隙的磁感应强度,B,与待测电流,I,成正比，当霍尔元件控制电流,I,H,一定时，霍尔输出电压,U,H,则正比于待测电流,I,，这种非接触检测安全简便，适用于高压线电流检测。,B=f,(I),U,H,= K,H,I,H,f(I),传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,13,转速计原理图,3,转速计,如图,7,13,所示，将霍尔元件移置旋转盘下边，让转盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件；当控制电流,I,一定时，霍尔输出电压,U,H,决定于小磁铁的磁场。,由于小磁铁固定在旋转盘上，当旋转盘随转轴转动时，霍尔元件上获得周期变化的磁脉冲，因而产生相应的霍尔脉冲电压，此脉冲电压单位时间内的个数，正比于转轴的旋转速度，从而实现转速的检测；转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率越高。 （周期脉冲）,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,14,开门报警器电路图,4,霍尔开关,霍尔开关不但动态特性好，而且环境适应性好，既无机械磨损，又无触点烧蚀缺陷，因而在自动控制及报警器电路中得到广泛应用。图,7,14,是一个开门报警器电路。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,使用,开门报警器时，,TL3019,霍尔传感器装在门框上，磁铁装在门板上，门关闭时,TL3019,输出保持低电平；门打开时,TL3019,输出电平由低变高，此正脉冲经,0.1F,电容延时后加到,TLC555,单稳态定时器的控制端,5,和复位端,4,上，起动定时器循环控制，使发光管,TIL220,发光、压电报警器发声，形成声、光报警。图中定时器引脚,6,和,7,接,1.0F,电容和,5.1M,电阻，决定,TLC555,的,RC,时间常数，即决定声、光报警器发出声、光时间的长短（约,5,秒）。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,第二节 磁敏电阻,磁敏电阻系指利用半导体磁阻效应研制而成的对磁场敏感的元件。如同电阻一样，磁敏电阻也只有两个端子、结构简单，安装方便，因而获得多方面应用。,一、磁阻效应,某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应,。引起电阻变化的原因有二，其一是材料的,电阻率随磁场增加而增加，称为,磁阻率效应,；其二是,在磁场作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，如图,7,15,所示，因而电极间电阻值增加，这种现象称为,几何磁阻效应,。目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,15,几何磁阻效应示意图,（,a,）,L/W,1,（,b,）,L/W,1,（,c,）柯比诺元件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关,，如图,7,16,所示。由于柯比诺元件为盘形元件，其两电极为圆盘中心和圆周边，电流在两电极间流动时，受磁场影响而呈涡旋形流动，霍尔电场无法建立，因而柯比诺元件可以获得最大磁阻效应，但其电阻值太小实用价值不大。将长方形磁阻元件的,L/W,比值减小，磁阻效应,R,B,/R,0,也相应增大，但零磁场下的电阻值,R,0,也要变小。,图,7,16,几何形状与磁阻变化特性,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,为了获得较大的磁阻效应而又有足够大的,R,0,，实际上采用,L/W,1,的多个元件串联,，,如图,7,17,所示平面电极磁敏电阻。,图,7,17,平面电极磁敏电阻,平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟（,InSb,）半导体薄片上，用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格,这相当于多个,L/W,1,的长方形,InSb,薄片磁阻元件串联,增加了零磁场电阻,R,0,片与片之间为金属导体，,把霍尔电压短路，不能形成电场力，电子运动方向总是斜的，电阻增加的很多，即可以获得较高的磁阻效应。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,18,磁阻特性曲线,二、磁敏电阻的基本特性,1,磁阻灵敏度,通常把磁敏电阻的比值,R,B,/R,0,称为磁敏电阻的灵敏度，其中,R,0,为无磁场时磁阻元件的阻值，,R,B,是磁感应强度为,B,时磁阻元件的阻值。,2,磁阻特性,磁敏电阻的磁阻特性指的是其阻值,R,随磁感应强度,B,变化的特性。特性曲线如图,7,18,所示，纵坐标为磁阻灵敏度,R,B,/R,0,，横坐标为磁感应强度,B,。由特性曲线可知，磁阻元件对正、负磁场的作用具备相同的灵敏度,。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,3,磁阻温度系数,磁阻温度系数是指温度每变化,1,，磁敏电阻的相对变化量。磁阻元件一般都是用半导体,InSb,制作，其磁阻受温度影响较大。,图,7,19,两磁阻元件串联,三端差分型,InSb,电阻,为了改善磁阻温度特性，,方法之一,是在,InSb,晶体中掺入一定量的锑化镍,NiSb,，形成,InSb,NiSb,共晶磁阻元件,但掺杂后将导致磁阻灵敏度下降；,方法之二,是采用两个磁阻元件串联，组成差动式输出，如图,7,19,所示，这种方法不但具有温度补偿功能，而且使灵敏度得到提高。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,20,是利用三端差动输出式,InSb,磁敏电阻构成的直线位移传感器。,三、磁敏电阻的应用,利用磁敏电阻的磁阻特性，可以应用于无触点电位差计、直线位移传感器、转速计、非接触电流监视电路等方面。,图,7,20,磁敏电阻测直线位移,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,初态时，将磁铁置于,InSb,平面电极磁敏电阻中间位置，磁场与,InSb,受磁平面垂直，此时输出电压为,U,O,；位移时，磁铁沿平面方向,X,直线左右平移，此时输出电压,U,O,的变化量,U,O,与直线位移量成正比。利用这种原理可以检测微位移或与微位移有关的其它非电量。,图,7,21,是由磁敏电阻构成的磁卡读出器原理电路。图中磁敏电阻,MS,F06,本身带有永久磁铁，两磁阻元件,MR,1,和,MR,2,接成差动输出方式，可实现对磁卡弱磁场的检测。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,21,磁卡读出器原理电路,有些磁敏电阻内还设置有放大、整形电路，其特点不但信噪比高，而且频率特性好，可用于磁性体旋转位置及速度的检测，以及带有磁性墨水印刷的印刷物检测或真假纸币的判别。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,磁阻式旋转传感器,磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用四磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理图如下：,当齿轮的齿顶对准,MR,1,，而齿根对准,MR,2,时，,MR,1,的电阻增加，,MR,2,不变，,U,0,Uin/2,；当齿顶（或齿根）在,MR,1,和,MR,2,之间时，,U,0,Uin/2,，输出电压波形见图。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,第三节 磁敏二极管,和磁敏三极管,磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的新型半导体磁敏元件。这种磁敏元件具有很高的磁灵敏度（比霍尔元件高数百至数千倍），可以在较弱磁场下工作，这是霍尔元件和磁阻元件所不及的。它不但能检测磁场的大小和方向，且体积小、测试电路简单，特别适合制作漏磁检测、磁力探伤及无触点磁敏开关。,一、磁敏二极管,1,基本结构,磁敏二极管是一种,PIN,型磁敏元件，由硅或锗材料制成，其结构和电路符号如图,7,22,所示。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图中,i,区为本征或接近本征半导体,(,高阻区），亦称本征区；在本征区的两端用合金法制成,重,掺杂的,P,+,区和,N,区；在本征区的一侧采用杂质扩散法或喷砂法制成载流子复合速度很高的,r,（粗糙）区，亦称高复合区；在高复合区相对的另一侧,L,保持光滑的无复合表面，亦称光滑面。,（,a,）基本结构 （,b,）电路符号,图,7,22,磁敏二极管结构和电路符号,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,2,工作原理,磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。,磁敏二极管工作时需加正向偏压,，即,P,+,区接正、,N,区接负；此时磁敏二极管电阻大小决定于磁场的大小和方向。当磁敏二极管反向偏置时，将呈现高阻状态，且与磁场的作用无关。图,7,23,表示磁敏二极管在正向偏压下，载流子受磁场影响情况。,如图,7,23,（,a,）所示，,当磁敏二极管未受到外界磁场作用时,，正偏压使得大多数空穴和电子能够穿过,i,区流入,N,-,区和,P,+,区，,形成偏流,I,，只有少数电子和空穴在,i,区复合掉。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,23,磁敏二极管载流子受磁场影响,（,a,）无磁场 （,b,）正向磁场 （,c,）反向磁场,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,如图,7,23,（,c,）所示，,当磁敏二极管受到外界反向磁场,H,作用时,，电子和空穴受洛伦兹力的作用向,L,面偏转，由于,L,面为无复合的光滑面，因而到达光滑面后又反射回,i,区，致使,i,区载流子浓度增加，于是,电阻减小、偏流,I,增大,。,由上分析可见，,外加磁场的大小和方向的改变，能引起磁敏二极管电阻或偏流的改变，因而可以实现磁电转换,。,如图,7,23,（,b,）所示，,当磁敏二极管受到外界正向磁场,H+,作用时,，由正偏压产生的电子、空穴载流子受到磁场的洛伦兹力的作用向,r,区偏转，并在,r,区迅速复合，致使,i,区载流子浓度减小，于是,电阻增加、偏流,I,减小,。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,24,磁敏二极管伏安特性,3,主要特性,（,1,）,伏安特性,在给定的磁场下，磁敏二极管正向偏压与偏流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。如图,7,24,所示。,在同一磁场下，加在磁敏二极管上的偏压越大，偏流也越大；在一定的偏压范围内，伏安特性有近似的线性关系。,同时，在正向偏压一定时，正向磁场越大、磁阻越大、偏流越小；反向磁扬越大、磁阻越小、偏流越大。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,（,2,）,磁电特性,磁电特性是指磁敏二极管输出电压变化量与外加磁场的关系。如图,7,25,所示，,单只磁敏二极管正向磁场下输出电压的灵敏度大于反向磁场下的灵敏度，且在,B,0.1,T,期间具有较好的线性关系,，即磁敏二极管对弱磁场具有较好的磁电特性和较高的磁灵敏度。若要获得更大的线性工作范围，可采用两管互补使用。,硅,磁敏二极管,:E=15V,RL=2K;,或,E=21V,，,RL=3K,。,图,7,25,磁敏二极管磁电特性,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,锗磁敏二极管的磁场频率与输出电压的关系曲线。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,4,温度特性及补偿,由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成，因而温度对磁敏二极管性能参数的影响较大，在使用磁敏二极管时，必须采取相应的温度补偿措施，常用的补偿电路如图,7,26,所示。,图,7,26,磁敏二极管温度补偿电路,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,当磁敏二极管,单管使用,时，可采用与磁敏二极管温度特性相同的热敏电阻串联电路补偿。如图,7,26,（,a,）所示，此时温度引起热敏电阻,R,t,和磁敏二极管,D,的电压增量相同，串联分压结果输出电压,U,o,中无温漂。,当采用,两只磁敏二极管工作,时，可选择两只磁电特性相同的磁敏二极管接成差动半桥的方式补偿。如图,7,26,（,b,）所示，此时两磁敏二极管的磁敏感面应相对或背向放置，即两管感受相反极性的磁场作用，根据差动桥的加减特性，不但可以实现温度自补偿，而且可以提高输出电压的灵敏度。,图,7,26,（,c,）是,差动全桥补偿电路,，四只磁敏二极管具有相同的磁电特性，按照相邻桥臂磁极性相反的原则接入四个桥臂上，此时不但具有温度自补偿，而且电桥输出电压的灵敏度更高。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,二、磁敏三极管,1,基本结构,磁敏三极管是在磁敏二极管基础上发展起来的磁敏晶体管，由,Si,或,Ge,材料经掺杂扩散而成硅管或锗管，亦有,NPN,型和,PNP,型，图,7,27,表示,NPN,型磁敏三极管的基本结构和电路符号。,如图,7,27,（,a,）所示，与集电极,c,、发射极,e,和基极,b,相联的分别称之为集电区、发射区和基区，在本征区,i,的一侧形成高复合率的复合区,r,，在,r,区的对面仍保持无复合的光滑面。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,（,a,）基本结构 （,b,）电路符号,图,7,27 NPN,磁敏三极管基本结构和符号,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,2,工作原理,磁敏三极管亦是利用半导体的磁阻效应进行磁电转换的。磁敏三极管工作时，如同双极型三极管一样，需要在基极与发射极间加正向偏压，而在基极与集电极间加反向偏压，此时磁敏三极管中载流子的运动决定于外加磁场的大小和极性，如图,7,28,所示。,磁敏,三极管的基区可以分为两个：从发射极注入的载流子输运到集电极的输运基区；从发射极和基极注入的载流子复合的复合基区。,在图,7,28,（,a,）中，当磁敏三极管,未受外加磁场作用,时，由于磁敏三极管基区宽度大于载流子有效扩散长度，由发射区发射的电子只有一小部分扩散到集电区，而大部分电子,在正偏压作用下,穿过,i,区到达基区，（主要是漂移电流）,形成较大的基极电流,I,b,，此时,I,b,I,C,，,=I,C,/I,b,1,。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,28,磁敏三极管载流子受磁场影响,（,a,）无磁场 （,b,）正向磁场 （,c,）反向磁场,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,在,7,28,（,b,）中，当磁敏三极管,受到外界正向磁场,H,+,作用,时，由发射区发射的电子在,i,区受到磁场洛伦兹力,F,L,作用，向集电区一侧偏转，使集电极电流,I,C,增加（三极管导通），,基极电流,I,b,减小，此时,I,C,I,b,，,=,I,C,/I,b,1,。,在,7,28,（,c,）中，当磁敏三极管,受到外界反向磁场,H,作用,时，由发射区发射的电子在,i,区受到磁场洛伦兹力,F,L,作用，向高速高复合的,r,区偏转，,使,I,C,和,I,b,都显著减小,。（三极管截止）,由上分析可见，即使基极电流,I,b,恒定，,磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流,I,C,发生显著变化，这是与普通三极管不同的地方。因而磁敏三极管可用来实现磁电转换,。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,3,主要特性,（,1,）,伏安特性,磁敏三极管的伏安特性类似于普通双极型三极管的伏安特性，如图,7,29,所示。,图中（,a,）表示无磁场作用时的伏安特性曲线，此时集电极电流,I,C,主要受基极电流,I,b,的影响，即发射结正向偏压越大，偏流,I,b,越大，则,I,C,亦越大；而集、射电压,U,ce,对,I,C,基本无影响。此时,I,b,I,C,，即,=,I,C,/I,b,1,，这一点与普通三极管不同。即磁敏三极管长基区特征。,图中（,b,）表示有磁场作用时的伏安特性曲线，此时当,I,b,一定时，,I,C,的大小决定于磁场的大小和极性。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,a,）,B=0,（,b,）,B0,图,7,29,磁敏三极管伏安特性,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,(2,）,磁电特性,磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性，它反映外加磁场对磁敏三极集电极电流,I,C,的影响，图,7,30,表示,NPN,型锗管的磁电特性。由图可知，磁敏三极管在正向磁场下输出电流的灵敏度大于在反向磁场下的灵敏度，且在弱磁场下具有近似的线性关系。不同类型的磁敏三极管具有各自不同的磁电特性及其线性工作范围，使用时应根据电路的需要选择磁敏三极管。,图,7,30 NPN,型锗管磁电特性,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,4,温度特性及补偿,如同磁敏二极管一样，磁敏三极管对温度的变化也十分敏感，因而使用磁敏三极管时必须采取相应的温度补偿措施，图,7,31,是几种常见的温度补偿电路。,(a) (b),图,7,31,磁敏三极管温度补偿电路,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,图,7,31,（,a,）是采用具有电流正温度系数的普通硅三极管,V,，补偿具有电流负温度系数的硅磁敏三极管,V,m,的集电极电流的温漂。,图,7,31,（,b,）是采用具有电流正温度系数的锗磁敏二极管,D,m,，作具有集电极电流负温度系数的硅磁敏三极管,V,m,负载，补偿磁敏三极管输出电压的温漂。,图,7,31,（,c,）是采用,PNP,和,NPN,组成两管互补式补偿电路，如果两管集电极电流温度特性完全一致，则集电极输出电压不产生温漂。,图,7,31,（,d,）是采用两管差动输出方式，要求两管磁极性相反，但磁电特性一致。这种电路不但可以实现温度自补偿，而且可以提高磁灵敏度。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,(c) (d),图,7,31,磁敏三极管温度补偿电路,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,三、磁敏管的应用,相对于其它磁敏器件，磁敏管不但具有很高的磁灵敏度，同时能识别磁场极性；而且体积小、功耗低，因而具有广泛的应用前景。可以用于交、直流磁场的检测，特别适用于,10,6,T,以下弱磁场的检测；可制作钳形电流表，对高压大电流进行不断线检测；制作无触点开关或接近开关等。尤其是磁敏三极管，其磁灵敏度比磁敏二极管大十多倍，且动态性能好，噪声小，是一种很有发展前途的新型半导体磁敏器件。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,磁敏三极管的磁灵敏度较高，很适合与检测微弱磁场的变化，通常可测量,0.1T,左右的弱磁场。利用磁敏三极管磁灵敏度高的特点，可以做漏磁探伤仪、地磁探测仪等。,例如，用磁敏三极管做探头，对被测棒材表面进行探测，如图，钢棒被磁化表面无缺陷时，探头附近没有漏磁通，因而探头没有输出信号，一旦棒材有缺陷，缺陷处的漏磁通将作用在磁敏管探头上，使其产生输出信号。,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,思考与练习题,1,霍尔效应及霍尔电压？,2,磁敏电阻的几何磁阻效应？,3,磁敏二极管,磁敏三极管,的基本结构及其工作原理？,4.,若一个霍尔器件的,KH=4mv/mAkGs,控制电流,I=3mA,将它置于,1Gs,5kGs,变化的磁场中（设磁场与霍尔器,件平面垂直），它的输出霍尔电势范围多大？并设计,一个,20,倍的比例放大器放大该霍尔电势。（画出电路,图）,5.,压电效应及压电材料？,6.,为什么石英晶体在,Z,轴方向力作用下不产生压电效应？,7.,试简述压电陶瓷的纵向压电效应？,传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器优秀课件,