磁敏式传感器课件

磁敏式感測器固態感測器

以半導體、電介質、鐵電體等為敏感材料，在力、磁、熱、光、射線、氣體、濕度等因素作用下引起材料物理特性變化，通過檢測其物理特性變化即可反映被測參數值。優點：

結構簡單、小型輕量；動態回應好，輸出為電量；易實現集成化、多功能化、圖像化、智能化；功耗低，安全可靠。缺點：線性範圍窄、易受溫度影響、參數離散性大。代表感測器的重要發展方向（磁敏、光敏、氣敏、濕敏）磁敏式感測器磁電式感測器霍爾感測器磁敏電阻磁敏二極體、磁敏電晶體種類：變氣隙（磁通）式（變磁阻式），由被測物體運動改變磁阻，線圈與磁鐵之間沒有相對運動；

恒磁通式（動圈式和動鐵式），線圈與磁鐵之間存在相對運動。原理：根據電磁感應定律，在任何電路或與磁通φ交鏈的w匝線圈中，當φ隨時間變化時，將感應出與磁通變化速率成正比的電壓或電勢：磁電式感測器例1：閉磁路變磁通式由被測物體運動引起磁阻變化，線上圈中產生感應電勢。頻數轉速偏心量振動量磁電式感測器例2：動圈式和動鐵式，線圈和磁鐵間存在相對運動。B0——工作氣隙磁感應強度；L——每匝線圈平均長度；W——線圈匝數；v——相對運動速度構成線速度感測器磁電式感測器磁電式感測器

應用測振式感測器航空發動機、各種大型電機、空氣壓縮機、機床、車輛、軌枕振動臺、化工設備、各種水、氣管道、橋樑、高層建築等的振動監測與研究。

品質為m、彈簧剛度為k，阻尼係數為b的單自由度機械振動系統，要求選擇較大的品質塊m和較小的彈簧常數k。

磁電式力發生器與激振器

磁電式感測器具有雙向轉換特性，如果給速度感測器的線圈輸入電量，那麼其輸出量即為機械量。扭矩測量、流量測量

磁電式感測器扭矩測量當線圈不受扭矩時，兩線圈輸出信號相同，相位差為零；當被測軸感受扭矩時，軸的兩端產生扭轉角，因此感測器輸出的兩個感生電勢將因扭矩而有附加相位差。磁電式檢測頭磁電式檢測頭轉軸齒輪液體流動方向由外到內磁電式感測器電磁流量計——在導電的、非磁性液體外部建立激勵磁場，將產生與磁場和流動方向垂直的電動勢。磁電式感測器

此方法適用於導電、非磁性液體，輸出與液體密度、溫度、粘滯度等無關，可用於血液流量測量。

置於磁場中的載流導體，當它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上平行電流和磁場方向上的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱為霍爾效應。霍爾式感測器霍爾式感測器基本原理載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用而發生偏轉，從而形成電場E，當載流子受到的電場力與洛倫茲力達到動態平衡時，累積電荷形成穩定的電勢UH

。其中——霍爾常數

——磁場與元件平面法線方向的夾角

d——與磁場方向一致的霍爾元件厚度 由得知，d越小，越大，則感生電動勢越大，故一般霍爾元件是由霍爾係數很大的N型半導體材料製作的薄片，厚度微米級。霍爾式感測器的結構a、a’——激勵電極、控制電極，b、b’——霍爾電極霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。

霍爾元件多採用N型半導體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用的霍爾元件材料有N型鍺(Ge)、N型矽(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導體材料。封裝——非磁性金屬、陶瓷、環氧樹脂。霍爾式感測器的材料霍爾式感測器的測量電路

R——調節電阻

RL——負載電阻在實際使用中，可以把激勵電流I或外磁場感應強度B作為輸入信號，而輸出信號正比於I或B，或兩者的乘積。基本電路霍爾式感測器的測量電路

電磁特性——UH–I特性

直線斜率稱為控制電流靈敏度：控制電流為交流時頻率可達幾千兆赫茲，且元件噪音很小。圖中HZ表示鍺霍爾元件霍爾式感測器的測量電路

電磁特性——UH–B特性

當控制電流不變時，元件開路霍爾電勢隨磁場的增加不完全呈線性關係，通常在0.5T以下時線性度較好。霍爾元件的轉換效率較低，可將幾個霍爾元件的輸出串聯或採用運算放大器放大，以獲得較大的UH。將霍爾元件與放大、整形等電路集成在同一晶片上，具有體積小、靈敏度高、價格便宜、性能穩定等優點。霍爾式感測器的測量電路霍爾集成感測器有線性型和開關型兩種。線性型霍爾集成感測器將霍爾元件、恒流源和線性放大器等集成在一塊晶片上，輸出電壓較高（伏級），使用方便。線性型霍爾式感測器開關型霍爾集成感測器將霍爾元件、穩壓器、差分放大器、施密特觸發器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在一塊晶片上。當外加磁場強度達到或超過工作點時，OC門由高阻態變為導通狀態，輸出為低電平；當外加磁場強度低於釋放點時，OC門重新變為高阻態，輸出變為高電平。開關型霍爾式感測器誤差分析及其補償不等位電勢誤差及其補償B=0，當霍爾電極2、2’不在同一等位面上時，輸出電壓將不為零，補償的目的是使電橋恢復平衡，常用的方法是採用補償網路。誤差分析及其補償不等位電勢誤差補償線路誤差分析及其補償

溫度誤差及其補償

霍爾元件對溫度變化十分敏感，設基準溫度為T0：溫度上升為T時：誤差分析及其補償令：整理後得：將上式展開，並略去項，整理後得：

由於霍爾元件靈敏度溫度係數和補償電阻溫度係數遠遠小於霍爾元件內阻溫度係數，即：，當元件確定後，可根據下式確定補償電阻值。應用：磁場強度感測器（高斯計）；電流、電壓感測器；位移、壓力、加速度感測器等。特點：結構簡單、體積小、雜訊小、頻率範圍寬、動態範圍大(輸出電勢變化範圍可達1000:1)、壽命長等。霍爾式轉速測量感測器——根據霍爾感測器的輸出脈衝數可計算出車輪轉速霍爾式感測器的應用

霍爾器件在x方向上長度為b，x0是位於氣隙下的初始長度。此感測器常採用差動結構。霍爾式位移感測器ΔxUH0計數感測器霍爾式計數感測器霍爾式感測器的應用霍爾電流感測器霍爾電壓感測器

目前汽車中大部分使用的還是接觸型的感測器，非接觸型感測器的價格不佔優勢，但它卻具有環保、耐用、抗震、易安裝等接觸型感測器無法匹敵的優點，向非接觸傳感方向發展將是大勢所趨。在非接觸型感測器中，憑藉著高可靠性等優勢，霍爾效應感測器(HallEffectSensor)在汽車領域贏得廣泛的應用空間。如檢測齒輪齒速、油門位置、尾氣再迴圈閥位置、馬達與傳動的速度和位置、用於防鎖閘和牽引系統的車輪速度感測器、腳踏板、座椅安全帶、刹車與離合器的位置、車鎖、車窗及油耗等諸多方面。/ART_8800413543_480501_NT_5b2ad997.HTM

當一載流半導體置於磁場中，其電阻值會隨磁場而變化的這種現象稱為磁阻效應。在磁場作用下，半導體片內電流分佈是不均勻的，改變磁場的強弱就影響電流密度的分佈，故表現為半導體片的電阻變化。式中：ρ0——零磁場時的電阻率；

Δρ——磁感應強度為B時電阻率的變化量；

K——比例因數；

μ——電子遷移率；

B——磁感應強度；

L，b——分別為磁敏電阻的長（沿電流方向）和寬；

f(L/b)——形狀效應係數。磁敏電阻磁阻效應與材料性質及幾何形狀有關，一般遷移率大的材料，磁阻效應愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應愈大。與霍爾效應的區別：霍爾電勢是指垂直於電流方向的橫向電壓，而磁阻效應則是沿電流方向的電阻變化。磁阻效應磁敏電阻常選用銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和銻化鈮（NiSb）等半導體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導體材料，也可在半導體薄片上光刻或腐蝕成型（柵狀結構）。磁敏電阻的結構和特性主要特性：

磁電特性：當B<0.3T時，電阻的變化率與磁場的平方成正比；當B>0.3T時，成線性關係。與磁場的正負無關；

溫度特性：溫度係數影響大；

頻率特性：工作頻率範圍大，一般為1~10MHz；磁感應的範圍比霍爾元件大。磁敏電阻的結構和特性接近開關和無觸點開關、計數器；無接觸線位移感測器；力、加速度等參數的測量；精密傾斜角測量等。R1、R2磁敏電阻位移感測器磁敏電阻的應用

線性、角度、旋轉位移感測器，可以測量磁場強度。磁敏二極體、三極管P型和N型電極由高阻材料製成，I為本征區。I區的r面粗糙，設置成高複合區（r區），目的是使電子－空穴對易於在粗糙表面複合而消失；另一面比較光滑。磁敏二極體磁場強度的改變引起電流發生變化，實現磁電轉換。當磁敏二極體受到外界磁場H+作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向r區偏轉，電子和空穴複合速度加快，所形成的電流減小；當磁敏二極體受到外界磁場H－作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用向I區偏轉，電子和空穴複合速度減慢，所形成的電流增大。磁敏二極體工作原理

如果外加正向偏壓，即P區接正，N區接負，那麼將會有大量空穴從P區注入到I區，同時也有大量電子從N區注入到I區，如將這樣的磁敏三極管置於磁場中，則注入的電子和空穴都要受到洛侖茲力的作用而向一個方向偏轉，當磁場方向使電子和空穴向r面偏轉時，它們將因複合而消失，因而電流很小；當磁場方向使電子和空穴向光滑面偏轉時它們的複合率變小，電流就大。磁敏三極管工作原理由此可見，高複合面與光滑面的複合率差別愈大，磁敏三極管的靈敏度也就愈高。磁敏三極管在不同的磁場強度和方向下的伏安特性曲線不同。利用這些特性曲線就能根據某一偏壓下的電流值來確定磁場的大小和方向。

在正反向磁場作用下，其集電極電流出現明顯變化。當受到正向磁場(H+)作用時，載流子向發射極一側偏轉，使集電極電流減小。當受到負向磁場(H-)作用時，載流子向集電極一側偏轉，使集電極電流增大。(1)靈敏度高，磁敏三極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉，更適合於測量弱磁場。(2)具有正反磁靈敏度，這一點是磁阻器件所欠缺的。(3)靈敏度與磁場關係呈線性的範圍比較窄。這一點不如霍爾元件。磁敏三極管