第6章磁敏傳感器LOREMIPSUMDOLOR傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

本章概述磁敏式傳感器：通常把對(duì)磁學(xué)量信號(hào)（如磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁通Φ）敏感、通過(guò)磁電作用將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件或裝置稱(chēng)為磁敏式傳感器。磁電作用：磁電作用主要分為電磁感應(yīng)、渦流效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等。主要內(nèi)容：本章主要介紹磁電感應(yīng)式傳感器、電渦流傳感器、霍爾式傳感器、半導(dǎo)體磁阻器件和結(jié)型磁敏器件。

6.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的原理進(jìn)行工作的。它是一種機(jī)－電能量變換型傳感器，屬于有源傳感器，直接從被測(cè)物體吸取機(jī)械能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，不需要供電電源。磁電感應(yīng)式傳感器電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、輸出阻抗小，具有一定的頻率響應(yīng)范圍(10~1000Hz)，適用于轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、位移、扭矩等測(cè)量。

6.1.1磁電感應(yīng)式傳感器的工作原理

磁電感應(yīng)式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)。1831年法拉第經(jīng)研究揭示：當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)定均勻的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)方向作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于一個(gè)N匝的線(xiàn)圈，設(shè)穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通為φ，則線(xiàn)圈內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將與φ的變化速率成正比，即

式中的“－”表明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。如果線(xiàn)圈相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)線(xiàn)速度為或角速度，則上式可改寫(xiě)為

或在磁感應(yīng)式傳感器中，當(dāng)其結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，即B、L、S、N均為確定值，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與線(xiàn)圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度ν或ω成正比。根據(jù)這一原理，人們?cè)O(shè)計(jì)出恒定磁通式和變磁通式兩類(lèi)磁電感應(yīng)式傳感器。B－線(xiàn)圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；

L－每匝線(xiàn)圈的平均長(zhǎng)度；

S－每匝線(xiàn)圈的平均截面積。

1.恒磁通式傳感器

恒磁通式傳感器是指在測(cè)量過(guò)程中使導(dǎo)體（線(xiàn)圈）位置相對(duì)于恒定磁通φ變化而實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一類(lèi)磁電感應(yīng)式傳感器。分成動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型。圖6.1恒磁通磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)

動(dòng)圈式的運(yùn)動(dòng)部件是線(xiàn)圈，永久磁鐵與傳感器殼體固定，線(xiàn)圈與金屬架用柔軟彈簧片支撐；動(dòng)鐵式的運(yùn)動(dòng)部件是磁鐵，線(xiàn)圈、金屬骨架和傳感器殼體固定，永久磁鐵用彈簧支撐。永久磁鐵與線(xiàn)圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度接近于振動(dòng)體的振動(dòng)速度，線(xiàn)圈與磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將切割磁力線(xiàn)，從而產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E。

2.變磁通式傳感器變磁通式傳感器主要是靠改變磁路的磁通Φ大小來(lái)進(jìn)行測(cè)量，即通過(guò)改變測(cè)量磁路中氣隙的大小改變磁路的磁阻，從而改變磁路的磁通。變磁通磁電感應(yīng)式傳感器可分為開(kāi)磁路和閉磁路兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖6.2(a)和圖6.2(b)所示。

開(kāi)磁路變磁通磁電感應(yīng)式傳感器由永久磁鐵、軟磁鐵、感應(yīng)線(xiàn)圈和測(cè)量齒輪等組成。測(cè)量時(shí)，線(xiàn)圈和磁鐵靜止不動(dòng)，齒輪（導(dǎo)磁材料）隨被測(cè)物體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)量齒輪的凸凹導(dǎo)致氣隙發(fā)生變化，影響磁路磁阻的變化，從而線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與齒輪齒數(shù)的乘積。由此，可用測(cè)量被測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。此類(lèi)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出信號(hào)較弱，且由于平衡和安全問(wèn)題，一般不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速。

圖6.2變磁通磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)

閉磁路變磁通磁電感應(yīng)式傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的定子和轉(zhuǎn)子、感應(yīng)線(xiàn)圈和永久磁鐵等部分組成。傳感器的定子和轉(zhuǎn)子由純鐵制成，在其原形端面上均勻分布凹槽。測(cè)量時(shí),將傳感器的轉(zhuǎn)子與被測(cè)物軸相連接，當(dāng)被測(cè)物旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的齒凸相對(duì)時(shí)，氣隙最小、磁通最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子齒凹相對(duì)時(shí)，氣隙最大、磁通最小。定不動(dòng)而轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通發(fā)生周期性變化，從而在線(xiàn)圈中感應(yīng)出近視正弦波的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境要求不高，工作頻率范圍為50Hz~100kHz。圖6.2變磁通磁電感應(yīng)式傳感器結(jié)構(gòu)6.1.2磁電感應(yīng)式傳感器的測(cè)量電路

磁電感應(yīng)式傳感器可以直接輸出感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，且磁電感應(yīng)式傳感器通常具有較高的靈敏度，所以不需要高增益放大器。但磁電感應(yīng)式傳感器只用于測(cè)量動(dòng)態(tài)量，可以直接測(cè)量振動(dòng)物體的線(xiàn)速度v或旋轉(zhuǎn)體的角速度ω。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以測(cè)量位移或加速度。圖6.3是磁電感應(yīng)式傳感器的一般測(cè)量電路框圖。

圖6.3磁電感應(yīng)式傳感器一般測(cè)量電路框圖6.2電渦流傳感器

電渦流傳感器是根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器。電渦流效應(yīng)指的是這樣一種現(xiàn)象：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中作切割磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)導(dǎo)體的磁通將發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體表面形成電流并自行閉合，狀似水中的渦流，稱(chēng)為電渦流。

電渦流傳感器能對(duì)位移、厚度、表面溫度、振動(dòng)、速度、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。6.2.1電渦流傳感器的工作原理

電渦流傳感器由傳感器激勵(lì)線(xiàn)圈和被測(cè)金屬體組成。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)傳感器激勵(lì)線(xiàn)圈中通以正弦交變電流時(shí)，線(xiàn)圈周?chē)鷮a(chǎn)生正弦交變磁場(chǎng)，使位于該磁場(chǎng)中的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流又產(chǎn)生新的交變磁場(chǎng)。新的交變磁場(chǎng)的作用是為了反抗原磁場(chǎng)，這就導(dǎo)致傳感器線(xiàn)圈的等效阻抗發(fā)生變化。傳感器線(xiàn)圈受電渦流影響時(shí)的等效阻抗Z為

ρ－被測(cè)體的電阻率；

μ－被測(cè)體的磁導(dǎo)率；

r－線(xiàn)圈與被測(cè)體的尺寸因子；

f－線(xiàn)圈中激磁電流的頻率；

x－線(xiàn)圈與導(dǎo)體間的距離。圖6.4電渦流傳感器原理

實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常改變線(xiàn)圈與導(dǎo)體間的距離x，而保持其他參數(shù)不變。

討論電渦流傳感器時(shí)，可以把產(chǎn)生電渦流的金屬導(dǎo)體等效成一個(gè)短路環(huán)，即假設(shè)電渦流只分布在環(huán)體內(nèi)。由基爾霍夫電壓定律有

由上式可得發(fā)生電渦流效應(yīng)后的等效阻抗為

ω－線(xiàn)圈激磁電流的角頻率；

R1、L1－線(xiàn)圈的電阻和電感；

R2、L2－短路環(huán)的等效電阻和等效電感；

M－線(xiàn)圈與金屬導(dǎo)體間的互感系數(shù)。Req－產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后線(xiàn)圈的等效電阻；

Leq－產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后線(xiàn)圈的等效電感。根據(jù)比較可知：

（1）產(chǎn)生電渦流效應(yīng)后，由于電渦流的影響，線(xiàn)圈復(fù)阻抗的實(shí)部（等效電阻）增大、虛部（等效電感）減小，因此，線(xiàn)圈的等效機(jī)械品質(zhì)因數(shù)下降。

（2）電渦流傳感器的等效電氣參數(shù)都是互感系數(shù)的函數(shù)。通?？偸抢闷涞刃щ姼械淖兓M成測(cè)量電路，因此，電渦流傳感器屬于電感式傳感器（互感式）。6.2.2電渦流傳感器的測(cè)量電路

1.調(diào)頻式測(cè)量電路

傳感器線(xiàn)圈作為組成振蕩器的電感元件，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為

當(dāng)電渦流線(xiàn)圈與被測(cè)物體的距離變化時(shí)，電渦流線(xiàn)圈的電感量在渦流影響下隨之變化，引起振蕩器的輸出頻率變化，該頻率信號(hào)（TTL電平）可直接計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)，或通過(guò)頻率－電壓轉(zhuǎn)換器（又稱(chēng)為鑒頻器）將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，用數(shù)字電壓表顯示出對(duì)應(yīng)的電壓。圖6.5調(diào)頻式測(cè)量電路

2.調(diào)幅式測(cè)量電路

調(diào)幅式測(cè)量電路分為恒定頻率調(diào)幅式和頻率變化調(diào)幅式兩種。圖6.6為恒定頻率調(diào)幅式測(cè)量電路，它由傳感器線(xiàn)圈、電容器、晶體振蕩器、正反饋放大電路和檢波濾波等。當(dāng)被測(cè)金屬導(dǎo)體與電渦流傳感器線(xiàn)圈間有距離變化時(shí)，電路中就有相應(yīng)幅值變化的高頻電壓輸出，此高頻電壓的頻率仍為振蕩器的頻率。可將這一恒定頻率調(diào)幅波的高頻電壓經(jīng)電路調(diào)理為直流電壓進(jìn)行測(cè)量。

圖6.6調(diào)幅式測(cè)量電路6.3霍爾傳感器

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。6.3.1霍爾效應(yīng)

當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，在其兩端將產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)被稱(chēng)為霍爾電勢(shì)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果。

e—單個(gè)電子的電荷量，；

B—磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度；

v—電子平均運(yùn)動(dòng)速度。

在一塊長(zhǎng)度為L(zhǎng)、寬度為b、厚度為d的長(zhǎng)方形導(dǎo)電板上，兩對(duì)垂直側(cè)面各裝上電極，如果在長(zhǎng)度方向通入控制電流I，在厚度方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)時(shí)，那么導(dǎo)電板中的自由電子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，每個(gè)電子受到洛倫茲力fL的作用，fL大小為圖6.7霍爾效應(yīng)原理圖

電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外，還在fL作用下向里飄移，結(jié)果在導(dǎo)電板里底面積累了電子，而外表面積累了正電荷，將形成附加內(nèi)電場(chǎng)EH,稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。當(dāng)在金屬體內(nèi)電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，電子所受洛侖茲力和電場(chǎng)力大小相等，即eEH=eBv，因此有

則相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)就稱(chēng)為霍爾電勢(shì)UH，其大小可表示為

當(dāng)電子濃度為n,電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v時(shí)，對(duì)于不同的材料，可得出表6.1所示霍爾效應(yīng)的特征量。

b—導(dǎo)電板寬度

N型P型電流I霍爾電動(dòng)勢(shì)UH霍爾系數(shù)RH霍爾靈敏度KH表6.1不同半導(dǎo)體材料霍爾效應(yīng)的特征量半導(dǎo)體材料物理量

霍爾電勢(shì)與霍爾系數(shù)或霍爾靈敏度的關(guān)系可表示為

霍爾靈敏度KH表征了一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。為了提高霍爾式傳感器的靈敏度，霍爾元件常制成薄片形狀，一般來(lái)說(shuō)霍爾元件的厚度d=0.1~0.2mm（通常b＝4mm，L＝2mm），薄膜型霍爾元件的厚度只有1μm左右。根據(jù)表6.1的靈敏度定義可知霍爾元件的靈敏度與載流子濃度成反比，由于金屬的自由電子濃度過(guò)高，所以不適于用來(lái)制作霍爾元件。制作霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。

1.霍爾元件基本結(jié)構(gòu)

霍爾元件的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它由霍爾片、4根引線(xiàn)和殼體三部分組成?；魻栐且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，在長(zhǎng)度方向焊有兩根控制電流端引線(xiàn)a和b，它們?cè)诒∑系暮更c(diǎn)稱(chēng)為控制電極（或稱(chēng)激勵(lì)電極）；在薄片另兩側(cè)端面的中央以點(diǎn)的形式對(duì)稱(chēng)地焊有c和d兩根輸出引線(xiàn)，它們?cè)诒∑系暮更c(diǎn)稱(chēng)為霍爾電極（或稱(chēng)輸出電極）?；魻栐耐庑?、結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖6.8所示。

圖6.8霍爾元件及符號(hào)6.3.2霍爾元件

2.主要技術(shù)參數(shù)

（1）額定控制電流IC

：在B=0、靜止空氣中環(huán)境溫度為25℃時(shí)，由焦耳熱產(chǎn)生的允許溫升條件下從霍爾元件控制電極輸入的電流。

（2）輸入電阻Rin

：指在室溫、零磁場(chǎng)下控制電極間的電阻。

（3）輸出電阻Rout：指在室溫、零磁場(chǎng)、無(wú)負(fù)載情況下霍爾電極間的電阻。

（4）乘積靈敏度KH：指在單位控制電流I、單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B作用下霍爾元件輸出端開(kāi)路時(shí)測(cè)得的霍爾電壓UH。

（5）磁靈敏度SB：指在額定控制電流I、單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B作用下輸出端開(kāi)路時(shí)測(cè)得的霍爾電壓UH。（6）不等位電勢(shì)UM

：指在B=0、額定電流I時(shí)因輸出電極不在同一等位面上或材料不均勻（電阻率不同）而產(chǎn)生一定的電位差。

（7）霍爾電壓溫度系數(shù)γ：在一定的B、控制電流I作用下，溫度每變化1℃時(shí)UH的相對(duì)變化率。（8）電阻溫度系數(shù)：在一定的B、控制電流I作用下，溫度每變化1℃時(shí)的相對(duì)變化率。

6.3.3霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件的誤差主要有零位誤差（不等位電動(dòng)勢(shì)、寄生直流電動(dòng)勢(shì)）和溫度誤差。

1.不等位電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償

不等位電動(dòng)勢(shì)誤差是零位誤差中最主要的一種，它與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)候甚至?xí)^(guò)霍爾電勢(shì)。

主要原因：霍爾電極不在同一等位面上，半導(dǎo)體材料（電阻率、幾何尺寸等）不均勻，控制電極接觸不良。

補(bǔ)償方法：在霍爾式傳感器實(shí)際使用過(guò)程中，其不等位電動(dòng)勢(shì)誤差是很難消除的，一般采用的方法是利用補(bǔ)償?shù)脑韥?lái)消除不等位電動(dòng)勢(shì)誤差的影響。如圖6.9所示，霍爾元件可以等效為一個(gè)四臂電橋，當(dāng)存在不等位電阻時(shí)，說(shuō)明電橋不平衡，四個(gè)電阻值不相等。圖6.9霍爾元件等效電路

為了使電橋平衡，可以采用兩種補(bǔ)償方法。第一，在電橋阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，這種補(bǔ)償方式相對(duì)簡(jiǎn)單，被稱(chēng)為不對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償。第二，在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻，這種補(bǔ)償方式被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償，其補(bǔ)償?shù)臏囟确€(wěn)定性較好。不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路如圖6.10所示。

圖6.10不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路

2.寄生直流電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償

當(dāng)霍爾元件的電極焊點(diǎn)不是完全的歐姆接觸、霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生寄生直流電動(dòng)勢(shì)。寄生直流電動(dòng)勢(shì)與工作電流有關(guān)，隨工作電流減小而減小。因此要求在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻。

3.霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償

為了減小溫度誤差，除了使用溫度系數(shù)小的半導(dǎo)體材料（如砷化銦）外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。

（1）輸入回路并聯(lián)電阻補(bǔ)償法

采用恒流源供可以減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流變化所帶來(lái)的溫度誤差。但霍爾元件的霍爾靈敏度KH也是溫度的函數(shù)，因此，只采用恒流源供電不能補(bǔ)償全部溫度誤差。當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件靈敏度系數(shù)與溫度關(guān)系可表示為

KH0—溫度為T(mén)0時(shí)的KH值；

ΔT—溫度變化量，ΔT=T-T0；

γ—霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)。

當(dāng)霍爾元件的初始溫度為T(mén)0，初始輸入電阻為RI0，靈敏度系數(shù)為KH0，分流電阻為Rp0，霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)為α，分流電阻溫度系數(shù)為β時(shí)

要使電路滿(mǎn)足溫度變化前后，霍爾電動(dòng)勢(shì)不發(fā)生變化，即

則有化簡(jiǎn)得

圖6.11并聯(lián)電阻的溫度補(bǔ)償電路

采用并聯(lián)分流電阻RP，當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，RP會(huì)自動(dòng)加強(qiáng)分流，減小了霍爾元件的控制電流IH，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償目的。

（2）補(bǔ)償元件法

補(bǔ)償元件法是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法，補(bǔ)償元件可以是NTC、PTC等。圖4.12（a）、（b）、（c）中的銻化銦霍爾元件具有負(fù)溫度系數(shù)，圖6.12（d）中的Rt補(bǔ)償具有正溫度系數(shù)霍爾元件的溫度誤差。圖4.12（a）中，溫度升高，Rt減小，分流增大，UH增大補(bǔ)償其減小部分；圖4.12(b)中，溫度升高，RT增大，分流減?。换魻栐至髟龃?，UH的減小得以補(bǔ)償；圖4.12(c)中，溫度升高，Rt減小，使RL的壓降增加，補(bǔ)償了UH減小使其壓降降低的部分；圖4.12(d)中，溫度升高，Rt減小，分流增大；霍爾元件分流減小，使UH減小，補(bǔ)償其隨溫度的增加。圖6.12補(bǔ)償元件的幾種連接方式6.3.4霍爾傳感器的基本測(cè)量電路

霍爾式傳感器的基本測(cè)量電路如圖6.13所示，電源E提供激勵(lì)電流，可變電阻RP用于調(diào)節(jié)激勵(lì)電流的大小I，為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻，一般用于表征顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。

圖6.13霍爾式傳感器的基本測(cè)量電路6.4半導(dǎo)體磁阻傳感器

6.4.1磁阻效應(yīng)

半導(dǎo)體（或?qū)w）的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為磁阻效應(yīng)（MagnetoresistanceEffect,MR)。一般分為物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)制成的器件稱(chēng)為磁敏電阻，可測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度在10-3~1T范圍。

1.物理磁阻效應(yīng)

有垂直的磁場(chǎng)時(shí)，沿著原電流方向的電流密度減小使電阻率增大的現(xiàn)象，稱(chēng)為物理磁阻效應(yīng)。因垂直于外電流的外磁場(chǎng)而產(chǎn)生的磁阻效應(yīng)稱(chēng)為橫向磁阻效應(yīng)。

2.幾何磁阻效應(yīng)在相同磁場(chǎng)作用下，由于半導(dǎo)體片的幾何形狀不同而出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為幾何磁阻效應(yīng)。長(zhǎng)寬比L/W越小(L平行于電流方向，W垂直于電流方向），磁阻效應(yīng)越強(qiáng)，且磁場(chǎng)越大電阻增加越快。

圖6.14幾何磁阻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.4.2磁敏電阻元件

1.長(zhǎng)方形磁敏電阻元件

圖6.15為長(zhǎng)方形磁敏電阻外形，其長(zhǎng)度L大于寬度W。在外加磁場(chǎng)作用下物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)同存在。

（1）弱磁場(chǎng)時(shí)的磁阻比

（2）強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的磁阻比

g為幾何因子(形狀因子）。強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)ρB/ρ0為常數(shù)，只要形狀一定，g為常數(shù)。在強(qiáng)磁場(chǎng)下RB與B成線(xiàn)性關(guān)系。ms為磁阻平方系數(shù)。

上式表明，在弱磁場(chǎng)下，RB與B2成線(xiàn)性關(guān)系。圖6.15長(zhǎng)方形磁敏電阻外形

2.科賓諾元件（最大磁阻效應(yīng)的磁阻）

如圖6.15所示，在盤(pán)形片的外圓周邊制作一個(gè)環(huán)形電極，中心處制作一個(gè)圓形電極，兩個(gè)電極間就構(gòu)成一個(gè)科賓諾元件（磁阻元件）。無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)路徑是沿徑向的；有磁場(chǎng)時(shí)，兩極間電流會(huì)發(fā)生彎曲使電阻變大。其磁阻效應(yīng)關(guān)系式為

3.高靈敏柵格型磁敏電阻

為了提高磁阻效應(yīng)，在長(zhǎng)方形磁敏電阻的長(zhǎng)度方向上垂直沉積n根金屬短路條，將它們分割成n+1個(gè)電阻子元件。短路條長(zhǎng)度為b、短路條寬度l，且l/b<<1。設(shè)子元件有、無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻分別為RB、R0，器件的總零磁場(chǎng)電阻R0n和有磁場(chǎng)電阻RBn表示為

ξ為磁阻系數(shù)，σ0為其零磁場(chǎng)電導(dǎo)率。L—柵格型磁敏電阻的總長(zhǎng)度；

S—柵格型磁敏電阻的截面積。圖6.16科賓諾元件6.4.3磁敏電阻的溫度補(bǔ)償

磁阻材料InSb具有負(fù)溫度特性，受溫度影響極大，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償方法：兩個(gè)磁敏電阻串聯(lián)；一個(gè)熱敏電阻（NTC）與磁敏電阻串聯(lián)。

圖6.17磁阻材料溫度補(bǔ)償電路圖6.5結(jié)型磁敏器件

人們將結(jié)構(gòu)上含有PN結(jié)的磁敏器件稱(chēng)為結(jié)型磁敏器件，主要指磁敏二極管和磁敏三極管，它們的某些性能對(duì)外磁場(chǎng)非常敏感，且比霍爾器件的靈敏度高，可測(cè)試10-6~10T的磁場(chǎng)。

6.5.1磁敏二極管

磁敏二極管是一種磁–電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體傳感器，在較弱的磁場(chǎng)作用下可產(chǎn)生電流的變化、較高的輸出電壓。用于磁場(chǎng)檢測(cè)、電流測(cè)量、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及無(wú)電刷直流電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制等方面。

常用磁敏二極管有兩種系列：

2DCM：負(fù)阻振蕩特性硅磁敏二極管；

2ACM：采用本征導(dǎo)電高純度鍺制成的,其物理性能是基于注入載流子表面再?gòu)?fù)合的差。

圖6.18磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖

r區(qū)N+I區(qū)P+

1.結(jié)構(gòu)

磁敏二極管是在PIN型二極管基礎(chǔ)上增加一個(gè)高復(fù)合區(qū)而形成的，可以稱(chēng)為結(jié)型二端器件。如圖6.18所示，PIN型二極管，兩端為高摻雜的P+和N+區(qū)，較長(zhǎng)的本征區(qū)I，又稱(chēng)為長(zhǎng)基區(qū)二極管。施加正偏壓時(shí)，P+－I結(jié)向I區(qū)注入空穴，N+－I結(jié)向I區(qū)注入電子，又稱(chēng)為雙注入長(zhǎng)二極管。I區(qū)的一面磨成光滑的，另一面的r區(qū)是高復(fù)合區(qū)，使電子、空穴易于復(fù)合消失。

2.工作原理

無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，正偏壓時(shí)大量空穴從P+區(qū)經(jīng)I區(qū)進(jìn)入N+區(qū)，電子從N+區(qū)進(jìn)入P+區(qū)，形成電流。r區(qū)只有少量的復(fù)合；當(dāng)受B+（正向）時(shí)，電子和空穴受洛倫茲力作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，復(fù)合使電阻增大，I區(qū)壓降增大、N+－I結(jié)和P+－I結(jié)上壓降減小，注入再減小，正向電流減小；當(dāng)受B-時(shí)，N+－I結(jié)和P+－I結(jié)上壓降增大，使注入載流子增加、電流增大。

3.磁電特性

圖6.19為磁敏二極管的磁電特性曲線(xiàn)，即在給定條件下磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加B的關(guān)系曲線(xiàn)。常有單只使用和互補(bǔ)使用兩種方式。單只使用時(shí)正向磁靈敏度大于反向?；パa(bǔ)使用時(shí)正、反向磁靈敏度曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，且在弱磁場(chǎng)下有較好的線(xiàn)性。

圖6.19磁電特性曲線(xiàn)

4.溫度特性及其補(bǔ)償

圖6.20為磁敏二極管輸出電壓變化量ΔU和電流I隨溫度變化的規(guī)律，顯然其受溫度影響較大，具有負(fù)溫度特性。在實(shí)際應(yīng)用中必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

常用的溫度補(bǔ)償電路有：

（1）互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路（兩個(gè)磁敏二極管D1、D2串聯(lián)）；

（2）差分式溫度補(bǔ)償電路（兩個(gè)磁敏二極管D1、D2與兩個(gè)固定電阻R1、R2構(gòu)成測(cè)量電橋，D1、D2接成半橋差動(dòng)工作方式）；

（3）全橋溫度補(bǔ)償電路（4個(gè)磁敏二極管構(gòu)成全橋差動(dòng)方式）；

（4）熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路（用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與磁敏二極管串聯(lián)）。圖6.20單個(gè)磁敏二極管的溫度特性6.5.2磁敏三極管磁敏三極管有N-P-N和P-N-P型兩種結(jié)構(gòu)，按照材料又分為Ge管和Si管，它們都是在長(zhǎng)基區(qū)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和制造的，也稱(chēng)為長(zhǎng)基區(qū)磁敏晶體管。

1.結(jié)構(gòu)

圖6.21為Ge板條式磁敏三極管的結(jié)構(gòu)示意圖，在弱P型半導(dǎo)體上擴(kuò)散形成三個(gè)極，即發(fā)射極e、基極b、集電極c，在發(fā)射極和長(zhǎng)基區(qū)間的一個(gè)側(cè)面有高復(fù)合區(qū)r。

圖6.21N-P-N型Ge磁敏三極管結(jié)構(gòu)圖和符號(hào)

2.工作原理

圖6.22為NPNGe磁敏三極管的工作原理示意圖。當(dāng)B=0時(shí)，發(fā)射區(qū)e注入的載流子少數(shù)輸入c、大部分通過(guò)e-P-b形成Ib,而且Ib>Ic，電流放大倍數(shù)β<1；當(dāng)受到正向磁場(chǎng)B+時(shí)載流子受洛倫磁力作用向b區(qū)側(cè)偏，Ic明顯下降，基區(qū)復(fù)合增大，Ib幾乎不變，β減?。划?dāng)受反向磁場(chǎng)B-時(shí)載流子受洛倫磁力作用向c區(qū)側(cè)偏，使Ic增大，r區(qū)復(fù)合減小，Ib幾乎不變，β增加。

圖6.22磁敏三極管工作原理示意圖

3.磁電特性

圖6.23為NPNGe磁敏管3BCM的磁電特性曲線(xiàn)。在弱場(chǎng)時(shí)，曲線(xiàn)接近直線(xiàn)?？衫眠@一線(xiàn)性關(guān)系測(cè)量磁場(chǎng)。

4.溫度特性及其補(bǔ)償

Ge磁敏三極管Ic具有正溫度特性，Si磁敏三極管Ic有負(fù)溫度特性系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。圖6.24為Si磁敏三極管溫度補(bǔ)償電路,圖6.24(a)利用正溫度系數(shù)三極管BG1補(bǔ)償；圖6.24(b)利用正電流溫度系數(shù)Ge二極管進(jìn)行補(bǔ)償；圖6.24(c)利用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管BGm1和BGm2組成差分電路，是一種有效的溫度補(bǔ)償電路，又可提高磁靈敏度。

圖6.233BCM的磁敏三極管磁電特性曲線(xiàn)圖6.24Si磁敏三極管溫度補(bǔ)償電路6.6磁敏傳感器的應(yīng)用

6.6.1磁電感應(yīng)式速度傳感器和電磁流量計(jì)

1.磁電感應(yīng)式振動(dòng)速度傳感器

圖6.25是動(dòng)圈式恒磁通振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)主要由鋼制圓形外殼制成，里面用鋁支架將圓柱形永久磁鐵與外殼固定成一體，永久磁鐵中間有一個(gè)小孔，穿過(guò)小孔芯軸兩端架起線(xiàn)圈和阻尼環(huán)，芯軸兩端通過(guò)圓形膜片支撐架空且與外殼相連。

圖6.25動(dòng)圈式振動(dòng)速度傳感器結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，傳感器與被測(cè)物體剛性連接，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，傳感器外殼和永久磁鐵隨之振動(dòng)，而架空的芯軸、線(xiàn)圈和阻尼環(huán)因慣性而不隨之振動(dòng)。這樣，磁路氣隙中的線(xiàn)圈切割磁力線(xiàn)而產(chǎn)生正比于振動(dòng)速度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，線(xiàn)圈的輸出通過(guò)引線(xiàn)送到測(cè)量電路。該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù)，如果在測(cè)量電路中接入積分電路，則輸出電勢(shì)與位移成正比；如果在測(cè)量電路中接入微分電路，則其輸出與加速度成正比。

2.電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種流量計(jì)，用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電液體的流量，屬于恒磁通式。電磁流量計(jì)的工作原理如6.26所示，它由產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的磁路系統(tǒng)、用不導(dǎo)磁材料制成的管道及在管道橫截面上的導(dǎo)電電極組成。要求磁場(chǎng)方向、電極連線(xiàn)和管道軸線(xiàn)三者在空間上互相垂直。

當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電液體流過(guò)管道時(shí)，切割磁力線(xiàn)，在和磁場(chǎng)及流動(dòng)方向垂直的方向上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，其值與被測(cè)流體的流速成正比，即

相應(yīng)地，流體的體積流量可表示為

式中，為儀表常數(shù)，對(duì)于某一個(gè)確定的電磁流量計(jì)，該常數(shù)為定值。

B－磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）

D－管道內(nèi)徑（m）

v－流體的平均流速（m/s）圖6.26電磁流量計(jì)原理圖6.6.2電渦流傳感器振幅、轉(zhuǎn)速測(cè)量和無(wú)損探傷

1.位移測(cè)量

電渦流式電感傳感器與被測(cè)金屬導(dǎo)體的距離變化將影響其等效阻抗，根據(jù)該原理可用電渦流式電感傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量，如汽輪機(jī)主軸的軸向位移、金屬試樣的熱膨脹系數(shù)、鋼水的液位、流體壓力等。

圖6.27電渦流傳感器的應(yīng)用

2.振幅測(cè)量

電渦流式電感傳感器可以無(wú)接觸地測(cè)量各種機(jī)械振動(dòng)，測(cè)量范圍從幾十μm到幾mm，如測(cè)量軸的振動(dòng)形狀，可用多個(gè)電渦流式電感傳感器并排安置在軸附近，如圖6.27（a）所示，用多通道指示儀輸出至記錄儀，在軸振動(dòng)時(shí)獲得各傳感器所在位置的瞬時(shí)振幅，因而可測(cè)出軸的瞬時(shí)振動(dòng)分布形狀。

3.轉(zhuǎn)速測(cè)量

把一個(gè)旋轉(zhuǎn)金屬體加工成齒輪狀，旁邊安裝一個(gè)電渦流式電感傳感器，如圖6.27（b）所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器將產(chǎn)生周期性的脈沖信號(hào)輸出。對(duì)單位時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出其轉(zhuǎn)速為

4.無(wú)損探傷

可以將電渦流式電感傳感器做成無(wú)損探傷儀，用于非破壞性地探測(cè)金屬材料的表面裂紋、熱處理裂紋以及焊縫裂紋等。如圖6.27（c）所示，探測(cè)時(shí)，使傳感器與被測(cè)體的距離不變，保持平行相對(duì)移動(dòng)，遇有裂紋時(shí)，金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率發(fā)生變化，裂縫處的位移量也將改變，結(jié)果引起傳感器的等效阻抗發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路達(dá)到探傷的目的。

N－t（單位：s）時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)；

n－旋轉(zhuǎn)體的齒數(shù)。6.6.3霍爾傳感器位移、轉(zhuǎn)速和功率測(cè)量

1.微位移的測(cè)量

如圖6.28所