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第11章 磁敏传感器 11.1 磁敏电阻器 1．磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。 在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。 图11-1 磁敏元件 当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为 当电阻率变化为 时，则电阻率的相对变化为： 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。 磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。 若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为 长方形磁阻器件只有在L(长度)＜b（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把L＜b的扁平器件串联起来，就会得到零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。 图11-2（a）为器件长宽比l／w＞＞l的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。 图11-2(b)是在Lb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），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件就相当于许多扁条状磁阻串联。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。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。 图11-2 几何磁阻效应 2．磁敏电阻的结构 图11-3 磁敏电阻的结构 由上图可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大。首先了解如图11-5所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。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磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。 图11-4 磁阻和磁场感应强度的关系 图11-5 磁敏电阻的特性 11.2磁敏电阻器的应用 1．作控制元件 2．作计量元件 3．作开关电路 4．作运算器 5．作模拟元件 6.锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程和电路原理图如图11-6所示。 图11-6 InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零，如果进入位置1，由于R2电阻增大，则输出变化为0.3mV左右；如果进入位置3时，则仍为0；如果进入位置4，则为-0.3mV，如果进入位置5，则仍为0，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果如图11-7所示。 图11-7 InSb传感器电路工作原理 半导体InSb磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。 图11-8 磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线 11.3 磁敏二极管和磁敏三极管 1．磁敏二极管的结构和工作原理 1）结构和工作原理 磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的低复合表面(为I区)，另一面打毛，设置成高复合区(为r区)，其目的是因为电子 — 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流，如图11-9所示。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。 图11-9 磁敏二极管的结构示意图 当磁敏二极管受到如图11-10 (b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。 当磁敏二极管受到如图11-10(c)所示的外界磁场片H-(反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子