第五章 磁电式传感器1.ppt

第5篇 磁敏传感器技术 1 霍尔式磁敏传感器 2 结型磁敏器件 3 磁阻式磁敏传感器 4 机械式、感应式与磁通门式磁敏传感器 5 磁共振式及超导式磁敏传感器 6 光纤磁敏传感器 7 微波传感器 1 霍尔式磁敏传感器 在利用半导体材料的磁敏感特性而工作的一类磁敏传感器（即半导体磁敏传感器）中，比较重要的包括霍尔磁敏传感器、磁敏二极管、磁敏三极管以及半导体磁阻器件等，其中应用最广泛的是霍尔磁敏传感器。 霍尔磁敏传感器包括霍尔元件和霍尔集成电路。后者是将分立的霍尔元件与放大器电路等集成在一块硅片上所构成的一种IC型结构。它们都是基于半导体材料中电流与磁场相互作用从而产生电动势的霍尔效应原理工作的。 1.1 霍尔效应 1879年美国物理学家E.H.Hall首先发现了霍尔效应。如图1.1模型所示，当在长方形半导体片的长度方向通以直流电流I时,若在其厚度方向存在一磁场B,那么在该半导体片的宽度方向就会产生电位差EH，此即霍尔效应。 1.2霍尔元件的主要技术参数 （1）输入电阻（Rin） （2）输出电阻（Rout） （3）额定控制电流（Ic） （4）最大允许控制电流（Icm） （5）不等位电势（Vm） （6）不等位电阻（RM） （7）磁灵敏度（SB）与乘积灵敏度（SH） （8）霍尔电势温度系数（β） （9）输入/输出电阻温度系数αin （10）非线性误差NL 1.3 霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理 等效电路 1.3 霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理 1.4 霍尔磁传感器电路分析与设计 （1）霍尔元件的驱动电路 （2）霍尔元件的输出放大电路 1.5 霍尔集成电路 1.6 霍尔式磁敏传感器的应用 由霍尔效应的基本关系式可知，霍尔电压VH与输入控制电流Ic以及磁感应强度B都成线性关系。因此，可保持Ic不变通过测量VH来得到B；也可保持B不变通过测量VH来得到Ic；还可测量VH直接得到Ic和B的乘积。由此可以得到各种类型的基于霍尔效应的传感器。 霍尔元件可用于交直流电压、电流、功率以及功率因数的测量，还可用于磁场、线圈匝数、磁性材料矫顽力的测量。除此之外，还可利用霍尔效应来测量速度、里程、圈数、流速、位移、镀层及工件厚度等 2 结型磁敏器件 结型磁敏器件是指由PN结构成的磁敏器件，主要包括磁敏二极管和磁敏三极管两大类。 2.1 磁敏二极管 磁敏二极管是指电特性随外部磁场改变而有显著变化的一种二极管，它是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型二端器件。 2.1.2磁敏二极管的工作原理 与普通P+-I-N+二极管不同，磁敏二极管I区的一个侧面是用杂质扩散或者喷砂法制成的高复合区。若在其两极施加恒定电压,同时在垂直于电场方向施以磁场，那么由于洛伦兹力的作用将使载流子偏向或远离复合区。假设在某个方向磁场作用下，电子和空穴因受洛伦兹力作用，都向r面偏转。因r面的高复合特性，使得进入I区的电子和空穴很快就被复合掉，从而使I区载流子密度减小，电阻增大，电压降VI也增大,导致N+-I结和P+-I结上的电压降VP+-I和VI-N+减小,注入载流子也相应减少。如此反复，直到电流无法再减小且达到某一稳态值为止。若改变磁场方向，电子和空穴将向与r区相对的光滑面流动，因光滑面载流子复合能力较弱，使得I区载流子浓度增加，电阻减小,电压降VI也减小，相应地VN+-I和VP+-I增加,载流子的注入量也增加,电流进一步增大。如此正反馈，直到电流饱和为止。 2.1.3 磁敏二极管的主要技术参数与特性 磁灵敏度 温度特性 伏安特性 磁电特性 2.2 磁敏三极管 磁敏三极管是基于双注入、长基区二极管设计制造的一种结型磁敏晶体管，它也可以分为NPN和PNP两种类型，制作的材料既可以是Ge也可以是Si。 磁敏三极管的结构 2.2.2 磁敏三极管的工作原理 锗磁敏三极管的磁敏特性有两个部分组成，一个是集电极电流增益特性（共射极直流电流增益和共基极直流电流增益都随磁场变化而变化）；另一个是基极电流增益特性（发射极c、复合区r以及基极b构成长基区磁敏二极管）。对于硅管来说，因为不存在复合区r，所以它的磁敏特性只包含集电极电流增益特性，而不包含基极电流增益特性。 2.2.4磁敏三极管的应用电路 磁敏三极管主要用在磁场测量、大电流测量、直流无刷马达、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量,速度测量和各种工业过程自动控制等领域。 3 磁阻式磁敏传感器 磁阻式磁敏传感器又称为磁敏电阻，它包括使用InSb材料制作的半导体磁敏电阻器与使用CoNi（镍钴合金）强磁材料制作的强磁性材料磁敏电阻器，以及韦根德器件等，它们统称为MR（Magnetic Resistor）。此外，巨磁阻效应器件（GMR）以及Z元件等新型磁阻元件也逐渐得到广泛应用。 3.1 半导体磁阻传感器 3.1.