第七章 电磁式传感器

*,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,7.1,磁电感应式传感器,7.1.1,工作原理和结构类型,7.1.2,动态特性,7.1.3,误差及其补偿,7.1.4,信号调理电路,7.1.5,应用举例,7.2,霍尔式传感器,7.2.1,霍尔效应与霍尔元件材料,7.2.2,测量电路,7.2.3,特性和指标,7.2.4,补偿电路,7.2.5,应用举例,7.3,磁敏传感器,7.3.1,磁敏电阻,7.3.2,磁敏二极管,7.3.3,磁敏三极管,第,7,章 磁电式传感器,知识单元与知识点,电磁感应、霍尔效应的基本概念；,磁电感应式传感器的工作原理、分类（恒磁通式：动圈式和动铁式结构，变磁通式：开磁路和闭磁路结构）、基本特性、测量电路与应用；,霍尔式传感器的工作原理、测量电路与应用；,霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿。,能力点,深入理解电磁感应、霍尔效应的基本概念；,理解磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；,理解霍尔式传感器的工作原理；,了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；,了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。,重难点,重点：电磁感应、霍尔效应的基本概念，磁敏式传感器工作原理、分类、测量电路，霍尔式传感器的工作原理。,难点：磁敏式传感器的基本特性。,学习要求,熟练掌握电磁感应、霍尔效应的基本概念；,掌握磁电感应式传感器的工作原理、分类、基本特性、测量电路；,掌握霍尔式传感器的工作原理；,了解霍尔元件的基本结构、基本特性、误差及其补偿；,了解磁电感应式传感器、霍尔式传感器的应用。,磁电式传感器,定义：,通过磁电作用，将被测量的变化转变为电信号的传感器。,分类：,磁电感应式传感器：利用,法拉第电磁感应定律,，测量磁场和位置速度等,霍尔式传感器：利用,霍尔效应,，测量磁场、位置、速度、电压、电流等,磁敏传感器：利用,磁阻效应,，测量转速、磁通、电流、流量等,7.1,磁电感应式传感器,磁电感应式传感器简称,感应式传感器,，根据电磁感应原理，利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势即将运动速度转换成感应电势输出。是典型的无源传感器。反向使用时可构成力发生器或电磁激振器，称为,电动式传感器,。,优点,：一种机,-,电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围（一般为,10,1000Hz,），只适用于振动、转速、扭矩等动态测量。,缺点,：尺寸和重量都较大。,磁电式传感器,机械能,电 量,电感式传感器是把被测量转换成电感量的变化，磁电式传感器通过检测磁场的变化测量被测量。,磁电传感器,霍尔传感器测转速,7.1.1,工作原理和结构类型,磁电感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。根据法拉第电磁感应定律可知，,N,匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中所产生的感应电动势,e,的大小取决于穿过线圈的磁通,的变化率，即,磁通变化率与磁场强度、磁路磁阻、线圈与磁场的相对运动速度有关，故若改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,根据以上原理有两种磁电感应式传感器：,恒磁通式,：磁路系统恒定磁场，运动部件可以是线圈也可以是磁铁。,变磁通式,：线圈、磁铁静止不动，转动物体引起磁阻、磁通变化。,1.,恒磁通式,由永久磁铁、线圈、弹簧和骨架组成，磁路系统产生恒定的直流磁场，磁路中的工作气隙固定不变，气隙中的磁通也恒定不变，感应电势是由于线圈相对于永久磁铁运动时切割磁力线产生的，运动部件可以是线圈也可以是磁铁，结构常分为动圈式和动磁式,下图所示为动圈式磁电感应式传感器的结构原理图。当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度,v,或角速度,表示，则所产生的感应电动势,e,为,式中,l,每匝线圈的平均长度；,B,线圈所在磁场的磁感应强度；,式中,l,每匝线圈的平均长度；,B,线圈所在磁场的磁感应强度；,S,每匝线圈的平均截面积 。,在传感器中当结构参数确定后，,B,、,l,、,N,、,S,均为定值，感应电动势,e,与线圈相对磁场的运动速度,(,v,或,),成正比，所以这类传感器的基本形式是,速度传感器,，能直接测量,线速度,或,角速度,。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量,位移,或,加速度,。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器,只适用于动态测量,。,2,变磁通式,开磁路,式,闭磁路,式,变磁通式的线圈和永久磁铁都是静止的，感应电势由变化的磁通产生。,图为,开磁路,变磁通式：线圈、磁铁静止不动， 测量齿轮安装在被测旋转体上，随被测体一起转动。每转动一个齿， 齿的凹凸引起磁路磁阻变化一次，磁通也就变化一次，线圈中产生感应电势，其变化频率等于被测转速,n,与测量齿轮上齿数,z,的乘积。由频率计测得,f,，即可求得转速,n,。这种传感器结,构简单，但输出信号较小，且因高速轴上加装齿轮较危险而不宜测量高转速的场合。,图为,闭磁路,变磁通式传感器，它由装在转轴上的内齿轮,5,和外齿轮,6,、永久磁铁,1,和感应线圈组成，内外齿轮齿数相同。 当转轴连接到被测转轴上时，外齿轮不动，内齿轮随被测轴而转动，内、外齿轮的相对转动使气隙磁阻产生周期性变化，从而引起磁路中磁通的变化，,使线圈内产生周期性变化的感应电动势。 显然， 感应电势的频率与被测转速成正比。,7.1.4,信号调理电路,为便于各级阻抗匹配，将积分电路和微分电路置于两极放大器之间。,直接输出电动势测量速度；,接入积分电路测量位移；,接入微分电路测量加速度。,7.1.5,磁电式传感器的应用举例,磁电式扭距传感器：,当扭距作用在转轴上时，两个磁电传感器输出的感应电压,u,1,、,u,2,存在相位差，相差与扭距的扭转角成正比，传感器可以将扭距引起的扭转角转换成相位差的电信号。,转轴,测量电路,磁电传感器,1,磁电传感器,2,齿型转盘,u,1,u,2,u,电磁心音传感器,电磁血流量计,例子,1,：,某磁电传感器的总刚度为,3200N/m,，测得其固有频率为,20Hz,。若欲使其固有频率降低为为,10Hz,，则其刚度应该为多大？,解：,固有频率为：,其中，,c,为弹簧刚度；,m,为质量块质量；,因此有：,两个式子相比：,1878,年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发,现半导体材料,的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器是基于霍尔效应。,霍尔传感器是目前国内外,应用最广,的一种磁电式传感器，利用霍尔效应实现磁电转换，可以检测微位移、转速、流量、角度，也可以制作高斯计、电流表、功率计、乘法器、接近开关和无刷直流电机等,7.2,霍尔传感器,1,霍尔效应,半导体薄片置于磁感应强度为,B,的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流,I,流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,E,H,，,这种现象称为霍尔效应。,磁感应强度,B,为零时的,情况,c,d,a,b,7.2 .1,霍尔效应与霍尔元件,磁感应强度,B,较大时的情况,作用在半导体薄片上的磁场强度,B,越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势,U,H,可用下式表示：,U,H,=,K,H,（霍尔常数）,IB,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，,向内侧偏移，直至在半导体薄片,c,、,d,方向的端面之间建立起稳定的霍尔电势。,c,d,a,b,磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势,若磁感应强度,B,不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度,时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即,B,cos,，,这时的霍尔电势为,U,H,=,K,H,IB,cos,结论：霍尔电势与输入电流,I,、,磁感应强度,B,成正比，且当,B,的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,工作原理,设霍尔片的长度为,l,，宽度为,b,，厚度为,d,。,又设电子以均匀的速度,v,运动，则在垂直方向施加的磁感应强度,B,的作用下，它受到,洛仑兹力,q,电子电量,(1.6210,-,19,C),；,v,电子运动速度。,同时，作用于电子的,电场力,当达到动态平衡时,霍耳电势,U,H,与,I,、,B,的乘积成正比，而与,d,成反比。,电流密度,j=,nqv,nN,型半导体中的电子浓度,N,型半导体,P,型半导体,霍耳系数，由载流材料物理性质决定。,材料电阻率,pP,型半导体中的空穴浓度,载流子迁移率,=,v,/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。,定义,K,H,=,R,H,/ d,K,H,霍耳器件的灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度,B,的方向与霍尔器件的平面法线夹角为,时，霍尔电,势,应为：,U,H,K,H,I B,U,H,K,H,I B,cos,注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出,霍尔电,势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，,霍尔电,势并不改变方向。,讨论,：,任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可,以制造霍尔元件,;,绝缘材料电阻率,很大，电子迁移率,很小，不适用；,金属材料电子浓度,n,很高，,R,H,很小，,U,H,很小,;,半导体材料电阻率,较大,R,H,大，非常适于做霍尔元件，,半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率,，所以霍尔元件多采用,N,型半导体（多电子）,;,由上式可见，厚度,d,越小，霍尔灵敏度,K,H,越大，,所以霍尔元件做的较薄，通常近似,1,微米,(d1,m),。,当,RH,，,d,一定时，即载流材料和几何尺寸一定时，霍尔电势电流,I,（磁场,B,一定时）或磁场,B,（电流,I,一定时），所以霍尔传感器可以用来测量磁场或检测电流。,当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，输出霍尔电势的大小反映了磁场变化，即可测量微小位移、压力或者机械振动等,优点：,霍尔元件使用寿命长、可靠性高、结构简单，,外围电路简单、,体积小、,动态特性好、频带宽、,易微型化集成化 。因而在很多领域得到了广泛的应用。,缺点：,转换效率低，受温度影响大。,习题,8,：,已知霍尔元件厚度,1mm,，沿长度方向通有,1mA,电流，在垂直方向加均匀磁场,B=0.3T,，灵敏度,S,H,=22V/(AT),，试求输出霍尔电势及载流子浓度？,解：,习题,9,：,霍尔元件灵敏度,S,H,=40V/(AT),，控制电流为,3mA,，将其置于,B=1*10,-4,5*10,-4,T,的线性变化磁场中，其输出霍尔电势的范围有多大？,解：,霍尔电势变化范围在,12uV60uV,之间。,霍尔元件材料,材 料,电阻率（,m,）,载流子迁移率,（,cm,2,v,-1,s,-1,）,霍尔系数,（,cm,2,c,-1,）,锗（,Ge,）,10,-2,3.6,10,3,4.25,10,3,硅（,Si,）（温度系数小，线性好）,1.5,10,-2,2.25,10,3,砷化铟（,InAs,）（温度系数小，线性好）,2.5,10,-3,3,10,4,350,锑化铟（,InAb,）（温度系数大）,7,10,-3,6,10,4,1000,2,霍尔元件,霍尔元件构造,控制电极,国产霍尔元件别号的命名方法如下：,常见的国产霍尔元件型号有,HZ1,、,HZ2,、,HZ3,、,HT1,、,HT2,、,HS1,等。,控制电流,I,；,霍尔电势,U,H,；,控制电压,V,；,输出电阻,R,0,；,输入电阻,R,i,；,霍尔负载电阻,R,L,；,霍尔电流,I,H,。,图中控制电流,I,由电源,E,供给,R,为调节电阻,保证器件内所需控制电流,I,。霍尔输出端接负载,R,L,，,R,L,可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场,B,垂直通过,霍尔,器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,V,H,R,L,V,B,I,E,I,H,霍尔器件的基本电路,R,实际使用时,器件输入信号可以是,I,或,B,，或者,IB,而输出可以正比于,I,或,B,或者正比于其乘积,IB,。,7.2.2,信号调理电路,霍尔元件的测量电路及符号,霍耳输出端的端子,C,、,D,相应地称为,霍耳端,或输出端。,若霍耳端子间连接负载,称为霍耳,负载电阻,或霍耳负载。,电流电极间的电阻，称为,输入电阻,，或者控制内阻。,霍耳端子间的电阻，称为,输出电阻,或霍耳侧内部电阻。,器件电流,(,控制电流,或输入电流,):,流入到器件内的电流。,电流端子,A,、,B,相应地称为器件,电流端,、控制电流端或输入电流端。,H,霍耳器件符号,A,A,A,B,B,B,C,C,C,D,D,D,上两式是,霍尔,器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和,霍尔,输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。,同样，若给出控制电压,U,，由于,U=R,1,I,，,可得控制电压和,霍尔,电势的关系式,设,霍尔,片厚度,d,均匀，电流,I,和,霍尔,电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流,I,和霍耳电势,U,H,的关系式,霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压与外加磁场强度呈线性关系。广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电场等的测量和控制。输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如,UGN3501,等。,线性型三端 霍尔集成电路,霍尔集成传感器,单端输出传感器的电路结构框图,2,3,输出,+,稳压,V,CC,1,霍耳元件,放大,地,H,稳压,H,3,V,CC,地,4,输出,输出,1,8,6,7,5,双端输出传感器的电路结构框图,单,端输出的传感器是一个三端器件，它的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。其典型产品是,UGN3501T,。,双端输出的传感器是一个,8,脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是,UGN3501M,。,开关型霍尔集成电路,开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、,OC,门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。特点是输出电压为高低电平两种状态。当外加磁场强度超过规定的工作点时，,OC,门由高阻态变为导通状态，输出变为,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,高电平,。较典型的开关型霍尔器件如,CS,系列和,UGN3020,等,。可做成无触点、无抖动、高可靠、长寿命的接近开关或按键开关，广泛用于计数装置以及汽车点火等系统。,温度特性,（,a,）,RH,与温度的关系； （,b,）,与温度的关系,R,H,/cm,2,/A,-1,250,200,150,100,50,40,80,120,160,200,LnSb,LnAs,T,/,0,2,4,6,/710,-3,cm,LnAs,200,150,100,50,LnSb,T,/,0,7.2.3,误差分析及补偿方法,1,、温度补偿,霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、 迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差。,温度误差的补偿, 温度变化会引起霍尔元件输入电阻变化，才用恒压源供电时，控制电流将发生变化而带来误差。为了减小输入电阻随温度变化而引起的误差， 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，采用,恒流源,供电是个有效措施，可以使霍尔电势稳定。,电路中,I,s,为恒流源，分流电阻,R,T,与霍尔元件的激励电极相并联。为了使霍尔电势在温度升高前后保持不变，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻,R,T,自动地增大分流，减小了霍尔元件的激励电流,I,H,，从而达到补偿的目的。,T,2,不等位电势和不等位电阻,当霍尔元件的控制电流为,I,时，不加外磁场时， 则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生这一现象的原因有： , 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； , 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； , 电极与霍尔元件接触不良造成激励电流不均匀分布等。,霍尔元件不等位电势补偿,不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势， 而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等,效为一个电桥， 用分析电桥平衡来补偿不等位电势。,不等位电势的补偿：,分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路四个电阻不相等，初始有不平衡输出,U,0,0,，可在电阻大的桥臂上并联电阻。或在相邻桥臂上同时并联电阻，仔细调节并联电阻的阻值，就可以补偿霍尔元件的不等位电势。,7.2.4,霍尔式传感器的应用,1,、霍尔式位移传感器,2,、霍尔式压力传感器,7.2.4,霍尔传感器的应用,霍尔元件,测量铁心 气隙的,B,值,霍尔传感器用于测量磁场强度,霍尔转速表,在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。,S,N,线性霍尔,磁铁,霍尔转速表原理,当,齿,对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（,ABS,）,中的应用,若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,霍尔式无触点汽车电子点火装置,采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。,汽车点火线圈,高压输出接头,12V,低压电源输入接头,汽车电子点火装置使用的,点火控制器、霍尔传感器及点火总成,磁铁,点火总成,霍尔式无刷电动机,霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在,录像机、,CD,唱机,、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用,。,普通直流电动机使用的电刷和换向器,无刷电动机在电动自行车上的应用,电动自行车,可充电电池组,无刷电动机,无刷电动机在电动自行车上的应用,无刷直流电动机的,外转子采用高性能位置传感器产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具有效率高、无火花、可靠性强等特点。,电动自行车的,无刷电动机及控制电路,去速度控制器,利用,PWM,调速,光驱用的无刷电动机内部结构,霍尔式接近开关,当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。,霍尔式接近开关用于转速测量演示,n,=,60,f,4,(,r,/min),软铁分流翼片,开关型霍尔,IC,T,霍尔电流传感器,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,霍尔电流传感器演示,铁心,线性霍,尔,IC,E,H,=,K,H,IB,所实现的多媒体界面：,其他霍尔 电流传感器,其他霍尔电流传感器（续）,霍尔钳形电流表（交直流两用）,压舌,豁口,霍尔钳形电流表演示,直流,200A,量程,被测电流的导线未放入铁心时示值为零,70.9A,钳形表的环形铁心可以张开， 导线由此穿过,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,霍尔钳形 电流表演示,70.9A,霍尔钳形电流表的使用,被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心,手指按下此处，将钳形表的铁心张开,将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中,霍尔钳形电流表的使用（续）,叉,形,钳形表漏磁稍大，但使用方便,用,钳形表测量 电动机的相电流,霍尔式电流谐波分析仪,被测电流的谐波频谱,铁心的 开合缝隙,铁心的 杠杆压舌,霍尔元件在无损损伤中的应用,铁磁材料具有高磁导特性，外加磁场作用下无缺陷时，磁力线绝大部分通过铁磁材料且材料内部磁力线均匀分布。,有缺陷时，缺陷处磁导率远比铁磁材料本身小，则磁力线发生弯曲，且有一部分磁力线泄漏出材料表面，采用霍尔元件检测出该泄漏磁场强度的变化，即可有效检测出缺陷的存在。,7.4.1,磁敏电阻,7.4,磁敏传感器,磁敏电阻是一种电阻值随磁场变化而变化的磁敏元件，也称,MR,元件。它的理论基础为,磁阻效应,。,1,、磁阻效应,将通以电流的金属或半导体材料的薄片置于与电流相垂直的磁场中，除产生,霍尔效应,外，由于运动的载流子收到磁场力的作用会产生偏转，使载流子经过的路程增加，迁移率减小，电阻率增加，电阻值就增加。此种现象称为,磁致电阻变化效应,，简称为,磁阻效应,。选择合适的磁敏电阻,形状,，可以使霍尔效应减弱或消除，磁阻效应增强。,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子,(,电子和空穴,),的迁移率十分悬殊，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：,为磁感应强度；,N,P:,电子和空穴的数量；,材料在磁感应强度为时的电阻率；,0,材料在磁感应强度为,0,时的电阻率；,载流子的迁移率。,电阻率变化主要由迁移率较大的一种载流子引起，它可表示为：,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。,若在电子和空穴都存在的材料（如,InSb,）中，则磁阻效应很强。,磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。,这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为,几何磁阻效应,。,长方形磁阻器件只有在,L(,长度,)W,（,宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。,把,LW,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,），,以短路霍耳电势,，这种栅格磁阻器件,如图,b,）,所示，就相当于许多,LW,扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁,阻器件的灵敏度。,L,几何磁阻效应,W,B,I,a),B,I,b),常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。,1,） 灵敏度特性,磁阻元件的灵敏度特性是在我国某些厂家是用在,一定磁场强度下的电阻变化率来表示,，即磁场,电阻特性的斜率。国际上通用的标准是用,R,B,/R,0,求得，,R,0,表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，,R,B,为,在施加,0.3T,磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于,2.7,。,2,、磁阻元件的主要特性,2,）磁场,电阻特性,15,R,B,R,0,10,5,温度,(25),弱磁场下呈平方特性变化,强场下呈直线特性变化,0,(b),电阻变化率特性,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,B,/T,在,0.1T,以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过,0.1T,后呈现线性变化,当输入电流,I,，在垂直方向外加磁感应强度,B,时，由于磁感应强度,B,的作用会使电流方向发生倾斜而导致电阻值增大，其电阻值与磁感应强度的变化曲线如图,a,0.3,0.2,0.1,0,0.1,0.2,0.3,R,/,1000,500,S,级,(a) S,、,N,级之间电阻特性,B,/T,N,级,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,3,）电阻,温度特性,半导体磁阻元件,的温度特性不好。电阻值在,35,的变化范围内减小了,1/2,。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,10,3,8,4,2,10,2,4,2,10,6,-40,0,20,60,100,温度,/,电阻变化率,%,半导体元件电阻,-,温度特性曲线,7.4.2,磁敏二极管和磁敏三极管,霍尔元件和磁敏电阻是用,N,型半导体,材料制成的体型元件。,磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的,PN,结型,的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（,磁灵敏度比霍尔元件高数百甚至数千倍,）；输出信号大；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，并在检测、控制等方面得到普遍应用。,（一）磁敏二极管,1,磁敏二极管的结构与工作原理,（,1,）磁敏二极管的结构,有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。磁敏二级管的结构是,P,+,iN,+,型。与普通二极管区别：,普通二极管,PN,结的基区,i,很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的,PN,结却有,很长的基区,i,，大于载流子的扩散长度。,H,+,H,-,N,+,区,p,+,区,i,区,r,区,电流,（a）,磁敏二极管的结构和电路符号,(a),结构,; (b),电路符号,+,（b）,H,+,H,-,N,+,区,p,+,区,i,区,r,区,电流,（a）,以,2ACM1A,磁敏二级管为例，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，设置表面粗糙的高复合区,(r,区,),，而与,r,区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。,图,a,）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,，,P+,向,I,区注入大量空穴，,N+,区向,I,区注入大量电子，只有少数电子和空穴在,I,区复合掉，大部分的电子和空穴通过,I,区分别到达,P+,和,N+,区，从而产生电流。,2,）磁敏二极管的工作原理,P,N,P,N,P,N,B,=0,B,+,B,-,电流,电流,电流,（a）,（b）,（c）,磁敏二极管的工作原理示意图,i,i,i,电子,空穴,复合区,图,b,）当磁敏二极管受到正向磁感应强度,B+,作用时，电子和空穴受到洛伦兹力向,r,区偏移，由于,r,区电子和空穴复合速度很快，进入,r,区的电子和空穴很快被复合掉，因此电流迅速减小。,2,）磁敏二极管的工作原理,P,N,P,N,P,N,B,=0,B,+,B,-,电流,电流,电流,（a）,（b）,（c）,磁敏二极管的工作原理示意图,i,i,i,电子,空穴,复合区,图,c,）当磁敏二极管受到反向磁感应强度,B-,作用时，电子和空穴受到洛伦兹力偏离,r,区，电流明显增大。,结论：,磁敏二极管不仅能实现磁电转换，而且随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、也能判断磁场的方向。特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若,r,区和,r,区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。,磁敏二极管反向偏置时，则在,r,区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。,磁敏二极管的工作原理示意图,P,N,P,N,P,N,B,=0,B,+,B,-,电流,电流,电流,（a）,（b）,（c）,i,i,i,电子,空穴,复合区,1,磁敏三极管的结构与原理,1,）磁敏三极管的结构,有,NPN,和,PNP,型两种结构。,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发射极、基极、集电极所形成的半导体元,件。在长基区,i,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。发射区和集电区分别设置在它的上、下面。,a) NPN,型磁敏三极管的结构,b) NPN,型磁敏三极管的符号,b,c,e,r,N,+,N,+,c,e,H,-,H,+,P,+,b,i,（三） 磁敏三极管,（三）磁敏三极管的工作原理,N,+,c,y,e,r,x,P,+,b,N,+,（,b,）,B=B-;,N,+,c,y,e,r,x,P,+,b,N,+,（,c,）,B=B+,N,+,c,y,e,r,x,P,+,b,N,+,（,a,）,B=0,;,运输基区,复合基区,当不受磁场作用时，如图,(a),时，在正向偏压作用下，由于磁敏三极管的基区,I,宽度大于载流子有效扩散长度，因而发射区注入的载流子除少部分输入到集电极,c,外，大部分通过,eib,而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数,0,=,Ic,Ib,1,。,当使用如图,(b),磁场时，由于洛仑兹力的作用，基极电流基本不变，集电极电流明显减小，电流放大倍数,0,。,N,+,c,y,e,r,x,P,+,b,N,+,（,b,）,B=B-;,N,+,c,y,e,r,x,P,+,b,N,+,（,c,）,B=B+,可见在正负磁场作用下电流放大倍数发生变化，不仅实现了磁电转换，也能判断磁场的方向,常用磁敏管的型号和参数,3BCM,型锗磁敏三极管参数表,参 数,单,位,测试,条件,规范,A,B,C,D,E,磁灵敏度,%,E,c,=6V,R,L,=100,I,b,=2mA,B,= 0.1T,510,1015,1520,2025,25,击穿电压,BU,cco,V,I,c,=1.5mA,20,20,25,25,25,漏电流,I,cc0,V,cs,=6A,200,200,200,200,200,最大基极电流,mA,E,c,=6V,R,L,=5k,4,功耗,P,cm,mW,45,使用温度,-4065,最高温度,75,mA,3CCM,型硅磁敏三极管参数表,参数,单 位,测试条件,规范,磁灵敏度,%,E,c,=6V,I,b,=3mA,B,= 0.1T,5%,击穿电压,BU,cco,V,I,c,=10,20V,漏电流,I,cc,0,I,ce,=6A,5,功耗,mW,20mW,使用温度,-,4085,最高温度,100,温度系数,%/,-,0.10,-,0.25%/,7.4.3,、磁敏传感器的应用,1.,磁敏电阻的应用,利用磁敏电阻阻值可变的特点，磁敏电阻可在无触点开关、转速计、磁通计、编码器、计数器、图形识别、电流计、电子水表、可变电阻、流量计等多方面得到应用。,2,、磁敏二极管和磁敏三极管的应用,由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，测量电路简单且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。,利用磁敏管可以作成,磁场探测仪器,如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量,10,-7,T,左右的弱磁场。,根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用不断线检测方法来,测量导线中电流,。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。,此外,利用磁敏管还可制成无触点接近开关和电位器，,转速传感器,(,能测高达每分钟数万转的转速,),、无触点电位器和漏磁探伤仪等。,总 结,7.1,磁电感应式传感器,7.1.1,工作原理和结构类型,7.1.2,动态特性,7.1.3,误差及其补偿,7.1.4,信号调理电路,7.1.5,应用举例,7.2,霍尔式传感器,7.2.1,霍尔效应与霍尔元件材料,7.2.2,测量电路,7.2.3,特性和指标,7.2.4,补偿电路,7.2.5,应用举例,7.3,磁敏传感器,7.3.1,磁敏电阻,7.3.2,磁敏二极管,7.3.3,磁敏三极管,