1、傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1 1磁敏傳感器磁敏傳感器磁敏傳感器磁敏傳感器 通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢的景象。上產(chǎn)生電動勢的景象。霍耳效應(yīng)原理圖霍耳效應(yīng)原理圖+ +I I+ + + + + + + + + + + + +l lw wd dVHVH傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2 2磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院3 3磁敏傳感器磁敏傳感器KHKH霍耳器件的乘積靈敏度，與資料的物理性質(zhì)和霍耳器件的乘積靈敏度，與資料的物理性質(zhì)和

2、幾何尺寸有關(guān)，表示單位磁感應(yīng)強度和單位控制電幾何尺寸有關(guān)，表示單位磁感應(yīng)強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。流時霍耳電勢的大小。假設(shè)磁感應(yīng)強度假設(shè)磁感應(yīng)強度B B的方向與電流方向夾角為的方向與電流方向夾角為，霍耳，霍耳電勢應(yīng)為：電勢應(yīng)為： UHUH KH I B KH I B H H KH I B sin KH I B sin 留意：當控制電流的方向或磁場方向改動時，輸出霍留意：當控制電流的方向或磁場方向改動時，輸出霍耳電勢的方向也改動。但當磁場與電流同時改動方向耳電勢的方向也改動。但當磁場與電流同時改動方向時，霍耳電勢并不改動方向。時，霍耳電勢并不改動方向。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機

3、電工程學院機電工程學院4 4磁敏傳感器磁敏傳感器80806060404020200 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0VH/(mV)VH/(mV)=7.0=7.0=1.5=1.5=3.0=3.0B(T)B(T)實踐值實踐值實際值實際值霍耳電勢的負載特性霍耳電勢的負載特性=R3/R2 =R3/R2 VHVHR3R3I I霍耳電勢隨負載電阻值而改動的情況霍耳電勢隨負載電阻值而改動的情況傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院5 5磁敏傳感器磁敏傳感器溫度特性溫度特性霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的

4、溫度特性。可歸結(jié)為霍耳系數(shù)抗和輸出阻抗的溫度特性。可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率和電阻率( (或電導率或電導率) )與溫度的關(guān)系。與溫度的關(guān)系。霍耳資料的溫度特征霍耳資料的溫度特征a aRHRH與溫度的關(guān)系；與溫度的關(guān)系；b b與溫度與溫度的關(guān)系的關(guān)系RH/cm2/RH/cm2/A-1A-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT/T/0 02 24 46 6/7/710-3cm10-3cmLnAsLnAs2002001501501001005050LnSbLnSbT/T/0 0傳感器與測試技術(shù)傳感

5、器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院6 6磁敏傳感器磁敏傳感器頻率特性頻率特性磁場恒定：給傳感器通入交變電流。到磁場恒定：給傳感器通入交變電流。到10kHz10kHz時交流輸出時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。率影響。 磁場交變：霍耳電勢不僅與頻率有關(guān)，還與器件的電導率、磁場交變：霍耳電勢不僅與頻率有關(guān)，還與器件的電導率、周圍介質(zhì)的磁導率、磁路參數(shù)周圍介質(zhì)的磁導率、磁路參數(shù)( (特別是氣隙寬度特別是氣隙寬度) )等有關(guān)。這等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件內(nèi)部產(chǎn)生渦流。是由于在交變磁場作用下，元件內(nèi)部產(chǎn)

6、生渦流。 在交變磁場下，當頻率為數(shù)十在交變磁場下，當頻率為數(shù)十kHzkHz時，可以不思索頻時，可以不思索頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHzMHz時，假設(shè)能仔細設(shè)計時，假設(shè)能仔細設(shè)計氣隙寬度，選用適宜的元件和導磁資料，依然可以保證器氣隙寬度，選用適宜的元件和導磁資料，依然可以保證器件有良好的頻率特性的。件有良好的頻率特性的。 傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院7 7磁敏傳感器磁敏傳感器霍爾傳感器的運用霍爾傳感器的運用 霍爾電勢大小與磁場強度霍爾電勢大小與磁場強度B B和控制電流和控制電流I I二二者的乘積成正比。適用中可以把者的乘積成正比。適用

7、中可以把I I或或B B作為輸入作為輸入信號，或兩者同時作為輸入信號。信號，或兩者同時作為輸入信號。 霍爾傳感器按其輸出特性分為線性輸出型和霍爾傳感器按其輸出特性分為線性輸出型和開關(guān)量輸出型兩種。開關(guān)量輸出型兩種。 1) 1)線性輸出將霍爾元件和放大電路做成一線性輸出將霍爾元件和放大電路做成一體。輸出電壓與經(jīng)過的磁場強度體。輸出電壓與經(jīng)過的磁場強度B B成線性比例關(guān)成線性比例關(guān)系。用于磁場檢測等場所。系。用于磁場檢測等場所。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院8 8磁敏傳感器磁敏傳感器單端輸出傳感器的電路構(gòu)造框圖單端輸出傳感器的電路構(gòu)造框圖2 23 3輸出輸出+ +穩(wěn)壓穩(wěn)壓

8、VCCVCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H穩(wěn)壓穩(wěn)壓H H3 3VCCVCC地地4 4輸出輸出輸出輸出1 18 86 67 75 5 雙端輸出傳感器的電路構(gòu)造框圖雙端輸出傳感器的電路構(gòu)造框圖 單端輸出：傳感器單端輸出：傳感器輸出電壓對外加磁場輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線的微小變化能做出線性呼應(yīng)，通常將輸出性呼應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。壓放大到較高的電平。 雙端輸出：傳感器雙端輸出：傳感器是一個是一個8 8腳雙列直插腳雙列直插封裝的器件，可提供封裝的器件，可提供差動輸出。差動輸出。 傳感器與測試技術(shù)傳

9、感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院9 9磁敏傳感器磁敏傳感器丈量磁場的大小和方向丈量磁場的大小和方向電位差計電位差計mAmAE ES SN NR R霍耳磁敏傳感器測磁原理表示圖霍耳磁敏傳感器測磁原理表示圖傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1010磁敏傳感器磁敏傳感器原理：利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成，能原理：利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成，能感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號方感知與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號方式輸出。式輸出。特點：霍耳開關(guān)集成傳感器運用壽命長、無觸點磨損、特點：霍耳開關(guān)集成傳感器運用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、

10、義務(wù)頻率高、溫度無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、義務(wù)頻率高、溫度特性好、能順應(yīng)惡劣環(huán)境。特性好、能順應(yīng)惡劣環(huán)境。2)2)霍耳開關(guān)集成傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1111磁敏傳感器磁敏傳感器由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)義務(wù)；開路輸出可使傳感器方便地與各種電壓范圍內(nèi)義務(wù)；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。邏輯電路接口。 霍耳開關(guān)集成傳感器的構(gòu)造及義務(wù)原理霍耳開關(guān)集成傳感器的構(gòu)造及義務(wù)

11、原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部構(gòu)造框圖霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部構(gòu)造框圖2 23 3輸出輸出+ +穩(wěn)壓穩(wěn)壓VCCVCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大BTBT整形整形地地H H傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1212磁敏傳感器磁敏傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器的義務(wù)特性曲線霍耳開關(guān)集成傳感器的義務(wù)特性曲線 從義務(wù)特性曲線上可以看出，義務(wù)特性有一定的磁從義務(wù)特性曲線上可以看出，義務(wù)特性有一定的磁滯滯BHBH，圖中的，圖中的BOPBOP為義務(wù)點為義務(wù)點“開的磁感應(yīng)強度，開的磁感應(yīng)強度，BRPBRP為為釋放點釋放點“關(guān)的磁感應(yīng)強度。關(guān)的磁感應(yīng)強度。VOUT(V)VOUT(V)1212ONON

12、OFFOFFBRPBRPBOPBOPBHBHB B0 0外加磁場與傳感器輸出外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁電平的關(guān)系。當外加磁感強度高于感強度高于BOPBOP時，輸時，輸出電平由高變低，傳感出電平由高變低，傳感器處于開外形。當外加器處于開外形。當外加磁感強度低于磁感強度低于BRPBRP時，時，輸出電平由低變高，傳輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)外形。感器處于關(guān)外形。 傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1313磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1414磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學

13、院1515磁敏傳感器磁敏傳感器霍耳傳感器的儀器優(yōu)點：霍耳傳感器的儀器優(yōu)點： (1) (1)體積小，構(gòu)造簡單、壽命長。體積小，構(gòu)造簡單、壽命長。 (2) (2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。 (3) (3)安裝性能穩(wěn)定，可靠性高。安裝性能穩(wěn)定，可靠性高。 (4) (4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可運用。頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可運用。 (5) (5)霍耳器件載流子慣性小，安裝動態(tài)特性好。霍耳器件載流子慣性小，安裝動態(tài)特性好。缺陷：缺陷： 轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。隨著新資料新工藝轉(zhuǎn)換效率低，受溫度影響大。隨著新資料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺陷正

14、逐漸得到抑制。不斷出現(xiàn)，這些缺陷正逐漸得到抑制。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1616磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1717磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1818磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院1919磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2020磁敏傳感器磁敏傳感器傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2121磁敏傳感器磁敏傳感器二、磁敏電阻二、磁敏電阻 電阻隨磁場變化而改動的

15、敏感元件，也稱電阻隨磁場變化而改動的敏感元件，也稱MRMR元件，它的實踐根底為磁阻效應(yīng)。元件，它的實踐根底為磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 給通電的金屬或半導體資料薄片加上與電給通電的金屬或半導體資料薄片加上與電流垂直或平行的外磁場，那么其電阻值會變化。流垂直或平行的外磁場，那么其電阻值會變化。稱此種景象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻稱此種景象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。效應(yīng)。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2222磁敏傳感器磁敏傳感器 在磁場中，電流的流動途徑會因磁場的作用而加長，在磁場中，電流的流動途徑會因磁場的作用而加長，使得資料的電阻率添加。假設(shè)某種金屬或半

16、導體資料使得資料的電阻率添加。假設(shè)某種金屬或半導體資料的兩種載流子的兩種載流子( (電子和空穴電子和空穴) )的遷移率非常懸殊，主要的遷移率非常懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化，它可表由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化，它可表示為：示為：22000273. 0B為磁感應(yīng)強度；為磁感應(yīng)強度；資料在磁感應(yīng)強度為時的電阻率；資料在磁感應(yīng)強度為時的電阻率；0 0 資料在磁感應(yīng)強度為資料在磁感應(yīng)強度為0 0時的電阻率；時的電阻率；載流子的遷移率。載流子的遷移率。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2323磁敏傳感器磁敏傳感器沒有柵格時，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻添

17、加很小。沒有柵格時，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻添加很小。 在在LWLW長方形磁阻資料上面制造許多平行等間距的金屬長方形磁阻資料上面制造許多平行等間距的金屬條條( (即短路柵格即短路柵格) )，相當于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。柵格磁，相當于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。柵格磁阻器件既添加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈阻器件既添加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。敏度。LWBBII a b傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2424磁敏傳感器磁敏傳感器 三、磁敏二極管和磁敏三極管三、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磁敏二極管、磁敏三極管是霍耳元件和磁

18、敏電阻之后開展起來的磁電轉(zhuǎn)換元件。電阻之后開展起來的磁電轉(zhuǎn)換元件。優(yōu)點：磁靈敏度高，磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)優(yōu)點：磁靈敏度高，磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍；能識別磁場的極性；體積小、百甚至數(shù)千倍；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單，運用廣泛；在檢測、控制等方面普電路簡單，運用廣泛；在檢測、控制等方面普遍運用。遍運用。 傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2525磁敏傳感器磁敏傳感器磁敏二極管的構(gòu)造與義務(wù)原理磁敏二極管的構(gòu)造與義務(wù)原理 與普通二極管區(qū)別：普通二極管與普通二極管區(qū)別：普通二極管PNPN結(jié)的長度很短，防結(jié)的長度很短，防止載流子在基區(qū)里復合，磁敏二級管的止載流子

19、在基區(qū)里復合，磁敏二級管的PNPN結(jié)很長，大于結(jié)很長，大于載流子的分散長度，由接近本征半導體的高阻資料構(gòu)成載流子的分散長度，由接近本征半導體的高阻資料構(gòu)成的。普通鍺磁敏二級管用的。普通鍺磁敏二級管用=40=40cmcm左右的左右的P P型或型或N N型單型單晶晶( (鍺本征半導體的鍺本征半導體的=50=50cm)cm)，在它的兩端有，在它的兩端有P P型和型和N N型鍺，假設(shè)型鍺，假設(shè)r r表示本征，那么其表示本征，那么其PNPN結(jié)實際上是由結(jié)實際上是由PrPr結(jié)和結(jié)和NrNr結(jié)共同組成。結(jié)共同組成。以以2ACM1A2ACM1A為例，磁敏二級管的構(gòu)造是為例，磁敏二級管的構(gòu)造是P+iN+P+iN

20、+型。型。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2626磁敏傳感器磁敏傳感器+ +b b磁敏二極管的構(gòu)造和電路符號磁敏二極管的構(gòu)造和電路符號(a)(a)構(gòu)造構(gòu)造; (b); (b)電路符號電路符號H+H+H-H-N+N+區(qū)區(qū)p+p+區(qū)區(qū)i i區(qū)區(qū)r r區(qū)區(qū)電流電流a a 在高純度鍺半導體的兩端用合金法制成高摻雜的在高純度鍺半導體的兩端用合金法制成高摻雜的P P型和型和N N型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)(i)(i)區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置高復合區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置高復合區(qū)區(qū)(r(r區(qū)區(qū)) )，而與，而與r r區(qū)相對的另一側(cè)面，堅持為光滑無復合外區(qū)相對的另一側(cè)面，堅持

21、為光滑無復合外表，構(gòu)成磁敏二極管的管芯。表，構(gòu)成磁敏二極管的管芯。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2727磁敏傳感器磁敏傳感器流過二極管的電流也在變化，流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。磁場的不同而不同。 磁敏二極管的義務(wù)原理磁敏二極管的義務(wù)原理 當磁敏二極管的當磁敏二極管的P P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N N區(qū)接電源負極，即外加正區(qū)接電源負極，即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，P PN NH H電流電流b bi iP PN NH H電流電流c ci iP

22、 PN NH=0H=0電流電流a ai i電子電子空穴空穴復合區(qū)復合區(qū)傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2828磁敏傳感器磁敏傳感器磁電特性：在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變磁電特性：在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場變化的關(guān)系化量與外加磁場變化的關(guān)系 磁敏二極管的磁電特性曲線磁敏二極管的磁電特性曲線a a單個運用時單個運用時b b互補運用時互補運用時B / B / 0.1T0.1T1 .1 .0 02 .2 .0 03 .3 .0 0-1.0-1.0-2.0-2.00 .0 .4 40 .0 .8 81 .1 .2 21 .1 .6 62 .2 .0

23、 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6- -2.02.0B / B / 0.1T0.1T2 .2 .0 0- -1.01.0- -2.02.00 .0 .4 40 .0 .8 81 .1 .2 21 .1 .6 62 .2 .0 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6- -2.02.01 .1 .0 0 3k3kR RE EE = 1 2 VE = 1 2 V18V18VTd=20Td=20a ab bU/VU/VU/VU/V 以以下圖給出磁敏二極管單個運用和互補運用時的磁電特性曲以以下圖給出磁敏二極管單個運用和互補運用時的磁電特性曲線

24、。線。傳感器與測試技術(shù)傳感器與測試技術(shù)機電工程學院機電工程學院2929磁敏傳感器磁敏傳感器磁敏三極管的構(gòu)造與原理磁敏三極管的構(gòu)造與原理磁敏三極管的構(gòu)造：磁敏三極管的構(gòu)造：NPNNPN型磁敏三極管是在弱型磁敏三極管是在弱P P型近本征半導體上，用合金法或分散法構(gòu)成三個型近本征半導體上，用合金法或分散法構(gòu)成三個結(jié)結(jié)即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所構(gòu)成的半導即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所構(gòu)成的半導體元件。在長基體元件。在長基NPNNPN型磁敏三極管的構(gòu)造和符號型磁敏三極管的構(gòu)造和符號a)a)構(gòu)造構(gòu)造 b) b)符號符號r rN+N+N+N+c ce eH-H-H+H+P+P+b bc ce eb b區(qū)的側(cè)面制成一個區(qū)的側(cè)面制成一個復合速率很高的高復合速率很高的高復合區(qū)復合區(qū)r r。長基區(qū)分。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復合為輸運基區(qū)和復合基區(qū)兩部