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1、磁 敏 傳 感 器 KH 霍 耳 器 件 的 乘 積 靈 敏 度 ， 與 材 料 的 物 理 性 質(zhì) 和 幾何 尺 寸 有 關(guān) ， 表 示 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單 位 控 制 電 流時(shí) 霍 耳 電 勢(shì) 的 大 小 。若 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B的 方 向 與 電 流 方 向 夾 角 為 ， 霍 耳 電勢(shì) 應(yīng) 為 ： UH KH I B H KH I B sin 注 意 ： 當(dāng) 控 制 電 流 的 方 向 或 磁 場(chǎng) 方 向 改 變 時(shí) ， 輸 出 霍耳 電 勢(shì) 的 方 向 也 改 變 。 但 當(dāng) 磁 場(chǎng) 與 電 流 同 時(shí) 改 變 方 向時(shí) ， 霍 耳 電 勢(shì) 并 不 改 變 方 向

2、 。 806040200 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0VH/(mV) = =7.0 =1.5 =3.0B(T) 理 論 值實(shí) 際 值霍 耳 電 勢(shì) 的 負(fù) 載 特 性 =R3/R2 V HR3I 霍 耳 電 勢(shì) 隨 負(fù) 載 電 阻 值 而 改 變 的 情 況 溫 度 特 性 霍 耳 電 勢(shì) 或 靈 敏 度 的 溫 度 特 性 ， 以 及 輸 入 阻 抗 和 輸出 阻 抗 的 溫 度 特 性 。 可 歸 結(jié) 為 霍 耳 系 數(shù) 和 電 阻 率 (或 電導(dǎo) 率 )與 溫 度 的 關(guān) 系 ?；?耳 材 料 的 溫 度 特 征 （ a） RH與 溫 度 的 關(guān) 系 ； （ b） 與 溫 度

3、的 關(guān) 系RH/cm2/ A-125020015010050 40 80 120 160 200LnSbLnAs T/ 0246 /7 10-3 cm LnAs20015010050 LnSbT/0 頻 率 特 性 磁 場(chǎng) 恒 定 ： 給 傳 感 器 通 入 交 變 電 流 。 到 10kHz時(shí) 交 流 輸 出的 頻 率 特 性 很 好 。 霍 耳 器 件 可 用 于 微 波 范 圍 ， 其 輸 出 不 受 頻率 影 響 。 磁 場(chǎng) 交 變 ： 霍 耳 電 勢(shì) 不 僅 與 頻 率 有 關(guān) ， 還 與 器 件 的 電 導(dǎo) 率 、周 圍 介 質(zhì) 的 磁 導(dǎo) 率 、 磁 路 參 數(shù) (特 別 是 氣

4、 隙 寬 度 )等 有 關(guān) 。 這是 由 于 在 交 變 磁 場(chǎng) 作 用 下 ， 元 件 內(nèi) 部 產(chǎn) 生 渦 流 。 在 交 變 磁 場(chǎng) 下 ， 當(dāng) 頻 率 為 數(shù) 十 kHz時(shí) ， 可 以 不 考 慮 頻率 對(duì) 器 件 輸 出 的 影 響 ， 即 使 在 數(shù) MHz時(shí) ， 如 果 能 仔 細(xì) 設(shè) 計(jì)氣 隙 寬 度 ， 選 用 合 適 的 元 件 和 導(dǎo) 磁 材 料 ， 仍 然 可 以 保 證 器件 有 良 好 的 頻 率 特 性 的 。 霍 爾 傳 感 器 的 應(yīng) 用 霍 爾 電 勢(shì) 大 小 與 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 B和 控 制 電 流 I二 者 的 乘積 成 正 比 。 實(shí) 用 中 可 以 把

5、 I或 B作 為 輸 入 信 號(hào) ， 或 兩 者同 時(shí) 作 為 輸 入 信 號(hào) 。 霍 爾 傳 感 器 按 其 輸 出 特 性 分 為 線 性 輸 出 型 和 開(kāi) 關(guān)量 輸 出 型 兩 種 。 1)線 性 輸 出 將 霍 爾 元 件 和 放 大 電 路 做 成 一 體 。 輸出 電 壓 與 通 過(guò) 的 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 B成 線 性 比 例 關(guān) 系 。 用 于 磁場(chǎng) 檢 測(cè) 等 場(chǎng) 合 。 單 端 輸 出 傳 感 器 的 電 路 結(jié) 構(gòu) 框 圖 23輸 出+穩(wěn) 壓 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 地H穩(wěn) 壓 H3 VCC 地4 輸 出輸 出 186 7 5 雙 端 輸 出 傳 感 器 的 電

6、路 結(jié) 構(gòu) 框 圖 單 端 輸 出 ： 傳 感器 輸 出 電 壓 對(duì) 外 加磁 場(chǎng) 的 微 小 變 化 能做 出 線 性 響 應(yīng) ， 通常 將 輸 出 電 壓 用 電容 交 連 到 外 接 放 大器 ， 將 輸 出 電 壓 放大 到 較 高 的 電 平 。 雙 端 輸 出 ： 傳 感器 是 一 個(gè) 8腳 雙 列直 插 封 裝 的 器 件 ，可 提 供 差 動(dòng) 輸 出 。 測(cè) 量 磁 場(chǎng) 的 大 小 和 方 向電 位 差 計(jì)mA E SNR霍 耳 磁 敏 傳 感 器 測(cè) 磁 原 理 示 意 圖 原 理 ： 利 用 霍 耳 效 應(yīng) 與 集 成 電 路 技 術(shù) 結(jié) 合 而 制 成 ， 能感 知 與

7、磁 信 息 有 關(guān) 的 物 理 量 ， 并 以 開(kāi) 關(guān) 信 號(hào) 形式 輸 出 。特 點(diǎn) ： 霍 耳 開(kāi) 關(guān) 集 成 傳 感 器 使 用 壽 命 長(zhǎng) 、 無(wú) 觸 點(diǎn) 磨 損 、無(wú) 火 花 干 擾 、 無(wú) 轉(zhuǎn) 換 抖 動(dòng) 、 工 作 頻 率 高 、 溫 度特 性 好 、 能 適 應(yīng) 惡 劣 環(huán) 境 。2)霍 耳 開(kāi) 關(guān) 集 成 傳 感 器 由 穩(wěn) 壓 電 路 、 霍 耳 元 件 、 放 大 器 、 整 形 電 路 、 開(kāi) 路 輸 出五 部 分 組 成 。 穩(wěn) 壓 電 路 可 使 傳 感 器 在 較 寬 的 電 源 電 壓 范 圍內(nèi) 工 作 ； 開(kāi) 路 輸 出 可 使 傳 感 器 方 便 地 與 各

8、 種 邏 輯 電 路 接 口 。 霍 耳 開(kāi) 關(guān) 集 成 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 及 工 作 原 理 霍 耳 開(kāi) 關(guān) 集 成 傳 感 器 內(nèi) 部 結(jié) 構(gòu) 框 圖 23輸 出+穩(wěn) 壓 VCC1 霍 耳 元 件 放 大 BT整 形 地H 霍 耳 開(kāi) 關(guān) 集 成 傳 感 器 的 工 作 特 性 曲 線 從 工 作 特 性 曲 線 上 可 以 看 出 ， 工 作 特 性 有 一 定 的 磁滯 BH， 圖 中 的 BOP為 工 作 點(diǎn) “ 開(kāi) ” 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ， BRP為釋 放 點(diǎn) “ 關(guān) ” 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 。VOUT(V)12 ONOFF BRP BOPBH B0 外 加 磁 場(chǎng)

9、 與 傳 感 器 輸 出電 平 的 關(guān) 系 。 當(dāng) 外 加 磁感 強(qiáng) 度 高 于 BOP時(shí) ， 輸 出電 平 由 高 變 低 ， 傳 感 器處 于 開(kāi) 狀 態(tài) 。 當(dāng) 外 加 磁感 強(qiáng) 度 低 于 BRP時(shí) ， 輸 出電 平 由 低 變 高 ， 傳 感 器處 于 關(guān) 狀 態(tài) 。 霍 耳 傳 感 器 的 儀 器 優(yōu) 點(diǎn) ： (1)體 積 小 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 壽 命 長(zhǎng) 。 (2)無(wú) 可 動(dòng) 部 件 ， 無(wú) 磨 損 ， 無(wú) 摩 擦 熱 ， 噪 聲 小 。 (3)裝 置 性 能 穩(wěn) 定 ， 可 靠 性 高 。 (4)頻 率 范 圍 寬 ， 從 直 流 到 微 波 范 圍 均 可 應(yīng) 用 。

10、(5)霍 耳 器 件 載 流 子 慣 性 小 ， 裝 置 動(dòng) 態(tài) 特 性 好 。缺 點(diǎn) ： 轉(zhuǎn) 換 效 率 低 ， 受 溫 度 影 響 大 。 隨 著 新 材 料 新 工 藝不 斷 出 現(xiàn) ， 這 些 缺 點(diǎn) 正 逐 步 得 到 克 服 。 二 、 磁 敏 電 阻 電 阻 隨 磁 場(chǎng) 變 化 而 改 變 的 敏 感 元 件 ， 也 稱 MR元 件 ，它 的 理 論 基 礎(chǔ) 為 磁 阻 效 應(yīng) 。磁 阻 效 應(yīng) 給 通 電 的 金 屬 或 半 導(dǎo) 體 材 料 薄 片 加 上 與 電 流 垂 直或 平 行 的 外 磁 場(chǎng) ， 則 其 電 阻 值 會(huì) 變 化 。 稱 此 種 現(xiàn) 象 為磁 致 電 阻

11、 變 化 效 應(yīng) ， 簡(jiǎn) 稱 為 磁 阻 效 應(yīng) 。 在 磁 場(chǎng) 中 ， 電 流 的 流 動(dòng) 路 徑 會(huì) 因 磁 場(chǎng) 的 作 用 而 加 長(zhǎng) ，使 得 材 料 的 電 阻 率 增 加 。 若 某 種 金 屬 或 半 導(dǎo) 體 材 料 的兩 種 載 流 子 (電 子 和 空 穴 )的 遷 移 率 十 分 懸 殊 ， 主 要 由遷 移 率 較 大 的 一 種 載 流 子 引 起 電 阻 率 變 化 ， 它 可 表 示為 ： 22 00 0 273.0 B 為 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 ； 材 料 在 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 時(shí) 的 電 阻 率 ； 0 材 料 在 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 0時(shí) 的 電 阻

12、率 ； 載 流 子 的 遷 移 率 。 沒(méi) 有 柵 格 時(shí) ， 電 流 只 在 電 極 附 近 偏 轉(zhuǎn) ， 電 阻 增 加 很 小 。 在 LW長(zhǎng) 方 形 磁 阻 材 料 上 面 制 作 許 多 平 行 等 間 距 的 金 屬條 (即 短 路 柵 格 )， 相 當(dāng) 于 許 多 扁 條 狀 磁 阻 串 聯(lián) 。 柵 格 磁阻 器 件 既 增 加 了 零 磁 場(chǎng) 電 阻 值 、 又 提 高 了 磁 阻 器 件 的 靈敏 度 。 L WB B II a b 三 、 磁 敏 二 極 管 和 磁 敏 三 極 管 磁 敏 二 極 管 、 磁 敏 三 極 管 是 霍 耳 元 件 和 磁 敏 電 阻之 后 發(fā)

13、展 起 來(lái) 的 磁 電 轉(zhuǎn) 換 元 件 。優(yōu) 點(diǎn) ： 磁 靈 敏 度 高 ， 磁 靈 敏 度 比 霍 耳 元 件 高 數(shù) 百 甚 至數(shù) 千 倍 ； 能 識(shí) 別 磁 場(chǎng) 的 極 性 ； 體 積 小 、 電 路 簡(jiǎn) 單 ， 應(yīng)用 廣 泛 ； 在 檢 測(cè) 、 控 制 等 方 面 普 遍 應(yīng) 用 。 磁 敏 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 與 工 作 原 理 與 普 通 二 極 管 區(qū) 別 ： 普 通 二 極 管 PN結(jié) 的 長(zhǎng) 度 很 短 ， 避免 載 流 子 在 基 區(qū) 里 復(fù) 合 ， 磁 敏 二 級(jí) 管 的 PN結(jié) 很 長(zhǎng) ， 大 于載 流 子 的 擴(kuò) 散 長(zhǎng) 度 ， 由 接 近 本 征 半 導(dǎo) 體 的

14、 高 阻 材 料 構(gòu) 成的 。 一 般 鍺 磁 敏 二 級(jí) 管 用 =40 cm左 右 的 P型 或 N型 單晶 (鍺 本 征 半 導(dǎo) 體 的 =50 cm)， 在 它 的 兩 端 有 P型 和 N型 鍺 ， 若 r表 示 本 征 ， 則 其 PN結(jié) 實(shí) 際 上 是 由 Pr結(jié) 和 Nr結(jié)共 同 組 成 。以 2ACM 1A為 例 ， 磁 敏 二 級(jí) 管 的 結(jié) 構(gòu) 是 P + i N+型 。 + （ b）磁 敏 二 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 和 電 路 符 號(hào)(a)結(jié) 構(gòu) ; (b)電 路 符 號(hào)H+H-N+區(qū)p+區(qū) i區(qū) r區(qū)電 流（ a） 在 高 純 度 鍺 半 導(dǎo) 體 的 兩 端 用 合 金

15、 法 制 成 高 摻 雜 的 P型 和 N型 兩 個(gè) 區(qū) 域 ， 并 在 本 征 區(qū) (i)區(qū) 的 一 個(gè) 側(cè) 面 上 ， 設(shè) 置 高 復(fù) 合區(qū) (r區(qū) )， 而 與 r區(qū) 相 對(duì) 的 另 一 側(cè) 面 ， 保 持 為 光 滑 無(wú) 復(fù) 合 表面 ， 構(gòu) 成 磁 敏 二 極 管 的 管 芯 。 流 過(guò) 二 極 管 的 電 流 也 在 變 化 ，也 就 是 說(shuō) 二 極 管 等 效 電 阻 隨 著磁 場(chǎng) 的 不 同 而 不 同 。 磁 敏 二 極 管 的 工 作 原 理 當(dāng) 磁 敏 二 極 管 的 P區(qū) 接 電 源 正 極 ， N區(qū) 接 電 源 負(fù) 極 ， 即 外 加 正偏 壓 時(shí) ， 隨 著 磁 敏

16、 二 極 管 所 受 磁 場(chǎng) 的 變 化 ，P NH 電 流（ b） i P NH 電 流（ c） iP NH=0 電 流（ a） i 電 子空 穴復(fù) 合 區(qū) 磁 電 特 性 ： 在 給 定 條 件 下 ， 磁 敏 二 極 管 的 輸 出 電 壓 變化 量 與 外 加 磁 場(chǎng) 變 化 的 關(guān) 系 磁 敏 二 極 管 的 磁 電 特 性 曲 線（ a） 單 個(gè) 使 用 時(shí) （ b） 互 補(bǔ) 使 用 時(shí)B / 0.1T1 .0 2 .0 3 .0-1.0-2.0 0 .40 .81 .21 .62 .0 -0.4-0.8-1.2-1.6-2.0 B / 0.1T2 .0-1.0-2.0 0 .40

17、 .81 .21 .62 .0 -0.4-0.8-1.2-1.6-2.0 1 .0 3kREE=12V（ 18V） Td=20（ a） （ b） U/V U/V 下 圖 給 出 磁 敏 二 極 管 單 個(gè) 使 用 和 互 補(bǔ) 使 用 時(shí) 的 磁 電 特 性 曲 線 。 磁 敏 三 極 管 的 結(jié) 構(gòu) 與 原 理 磁 敏 三 極 管 的 結(jié) 構(gòu) ： NPN型 磁 敏 三 極 管 是 在 弱 P型 近 本征 半 導(dǎo) 體 上 ， 用 合 金 法 或 擴(kuò) 散 法 形 成 三 個(gè) 結(jié) 即 發(fā) 射結(jié) 、 基 極 結(jié) 、 集 電 結(jié) 所 形 成 的 半 導(dǎo) 體 元 件 。 在 長(zhǎng) 基NPN型 磁 敏 三 極

18、 管 的 結(jié) 構(gòu) 和 符 號(hào)a)結(jié) 構(gòu) b)符 號(hào)rN +N+ce H- H+ P+ b ceb 區(qū) 的 側(cè) 面 制 成 一 個(gè)復(fù) 合 速 率 很 高 的 高復(fù) 合 區(qū) r。 長(zhǎng) 基 區(qū) 分為 輸 運(yùn) 基 區(qū) 和 復(fù) 合基 區(qū) 兩 部 分 。i 磁 敏 三 極 管 的 工 作 原 理N+ N+N + cc c y yy ee er rr x xxP+ P+P+b bbN+N+ N +（ a） （ b）（ c）磁 敏 三 極 管 工 作 原 理 示 意 圖(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-1-運(yùn) 輸 基 區(qū) ； 2-復(fù) 合 基 區(qū)1 2 H H 磁 電 特 性 ： 磁 敏 三 極 管

19、 最 重 要 的 工 作 特 性 。 B/0.1T Ic/mA0.50.40.30.20.1 1 52 3 4-1-2-3 磁 敏 二 極 管 和 磁 敏 三 極 管 的 應(yīng) 用 磁 敏 管 有 較 高 的 磁 靈 敏 度 ， 體 積 和 功 耗 很 小 ， 能 識(shí) 別磁 場(chǎng) 極 性 。 可 用 于 磁 場(chǎng) 探 測(cè) 儀 器 如 漏 磁 測(cè) 量 儀 、 地 磁 測(cè) 量 儀 等 。 由 于 通 電 導(dǎo) 線 周 圍 具 有 磁 場(chǎng) ， 磁 場(chǎng) 的 強(qiáng) 弱 取 決 于 通 電導(dǎo) 線 中 電 流 大 小 ， 利 用 磁 敏 管 采 用 非 接 觸 方 法 來(lái) 測(cè) 量導(dǎo) 線 中 電 流 。1. 利 用 磁 敏 管 制 成 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 (能 測(cè) 高 達(dá) 每 分 鐘 數(shù) 萬(wàn) 轉(zhuǎn) 的轉(zhuǎn) 速 )， 可 制 成 無(wú) 觸 點(diǎn) 電 位 器 和 漏 磁 探 傷 儀 等 。