當(dāng)控制電流或磁場(chǎng)的方向改變時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)和電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾勢(shì)不改變方向。通常，霍爾板上施加的電壓為E。如果霍爾電位中的電流I被改寫(xiě)為E，計(jì)算將很方便，根據(jù)
當(dāng)磁場(chǎng)(B)不變時(shí)，通過(guò)測(cè)量某一溫度下的控制電流I和霍爾電位UH，可以得到很好的線性關(guān)系。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，用KI表示。
當(dāng)控制電流I保持不變時(shí)，元件的開(kāi)路霍爾輸出不完全呈現(xiàn)與磁場(chǎng)增大的線性關(guān)系，而是具有非線性偏差。
在分析霍爾效應(yīng)的原理時(shí)，我們認(rèn)為霍爾板的長(zhǎng)度L為無(wú)窮大。事實(shí)上，霍爾板的長(zhǎng)度是有限的。如果L太小，當(dāng)太小到一定的極限值時(shí)，霍爾電場(chǎng)就會(huì)被控制電流極短路。因此，與幾何尺寸相關(guān)的系數(shù)被添加到霍爾勢(shì)的表達(dá)式中。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)l/b為2時(shí)，形狀因子fH(L/b)接近1。為了提高元器件的靈敏度，可以適當(dāng)提高L/b值，實(shí)際設(shè)計(jì)中取L/b=2就足夠了。
霍爾電極的大小對(duì)霍爾電位的輸出也有一定的影響。根據(jù)理想元件的要求，控制電流的電極應(yīng)與霍爾元件表面接觸良好，而霍爾電極與霍爾元件點(diǎn)接觸。實(shí)際上，霍爾電極有一定的寬度L，這對(duì)元件的靈敏度和線性度有很大的影響。研究表明，當(dāng)l/l為0.1時(shí)，電極寬度的影響可以忽略。2.不等電位U0及其補(bǔ)償
制作霍爾元件時(shí)，不可能保證霍爾電極焊接在同一個(gè)等電位面上。如圖，當(dāng)控制電流I流過(guò)元件時(shí)，即使磁感應(yīng)強(qiáng)度等于零，霍爾電極上仍然存在一個(gè)電勢(shì)，這稱為不等電勢(shì)U0。不相等的電勢(shì)是零誤差的主要原因。等效電路如圖表明，如果兩個(gè)霍爾電極在同一等電位平面上，r1=r2=r3=r4，則電橋平衡，U0=0。當(dāng)霍爾電極不在同一個(gè)等電位平面上時(shí)如圖2 . 1 . 3)，由于r3增加，r4減少，電橋平衡被破壞，使U00。有各種方法可以減少不平等的潛力，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/div>
半導(dǎo)體磁阻傳感器
磁阻是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，又稱MR元件。其理論基礎(chǔ)是磁阻效應(yīng)。
磁阻效應(yīng)
磁阻是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，又稱MR元件。其理論基礎(chǔ)是磁阻效應(yīng)。
如果在有電流的金屬片或半導(dǎo)體材料上施加一個(gè)垂直或平行于電流的外磁場(chǎng)，其電阻值會(huì)增加。這種現(xiàn)象稱為磁阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱磁阻效應(yīng)。
在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)而變長(zhǎng)，這將增加材料的電阻率。如果金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率差異很大，電阻率的變化主要是由遷移率較高的載流子引起的，可以表示為：
B——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)， 3354材料的電阻率；
當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)， ——材料的電阻率；
——載流子的遷移率。
當(dāng)材料中只有一種載流子時(shí)，磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，霍爾效應(yīng)甚至更強(qiáng)。在電子和空穴都存在的材料(如銻化銦)中，磁阻效應(yīng)非常強(qiáng)。磁阻效應(yīng)也與樣品的形狀和大小密切相關(guān)。這種與樣品形狀和大小有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。矩形磁阻器件只有在L(長(zhǎng))w(寬)的條件下才表現(xiàn)出較高的靈敏度。L“W”的扁平器件串聯(lián)，可以得到零磁場(chǎng)電阻更大、靈敏度更高的磁阻器件。
圖(a)顯示了沒(méi)有柵極的情況，電流僅在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻幾乎沒(méi)有增加。在L-W矩形磁阻材料上制作許多等間距的平行金屬條(短路柵)，以短路霍爾電位。如如圖2 . 2 . 1(b)所示，這種網(wǎng)格磁阻器件相當(dāng)于許多扁平條形磁阻器的串聯(lián)。因此，柵極磁阻器件不僅增加了零磁場(chǎng)電阻值，而且提高了磁阻器件的靈敏度。常用的磁阻元件包括半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部可做成半橋或全橋等形式。
磁阻元件
矩形磁阻元件；
物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng)并存。
弱場(chǎng)中的磁阻比
柵極磁阻高靈敏度電阻
g’是子元素的形狀系數(shù)。如果g '增強(qiáng)很多，msn會(huì)增加，RBn會(huì)增加。
鈷元素
結(jié)構(gòu)形式
圓盤(pán)元件；
外圓的中心和外圍設(shè)有電流電極。
原則：
電流在兩個(gè)電極之間流動(dòng)；
載體的運(yùn)動(dòng)路徑由于磁場(chǎng)而彎曲；
阻力增加
磁阻特性
敏感
磁阻元件的靈敏度特性用一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率表示，即磁場(chǎng)——的電阻特性的斜率。常用k，單位為毫伏/毫安千克，即。公斤.計(jì)算中常用RB/R0。R0表示不存在磁場(chǎng)時(shí)磁阻元件的電阻值，RB表示磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T時(shí)磁阻元件的電阻值為app
從圖中可以看出，它與磁阻元件的曲線相反，即隨著磁場(chǎng)的增大，電阻值減小。并且在磁通密度達(dá)到幾十到幾百高斯時(shí)達(dá)到飽和。一般來(lái)說(shuō)，電阻會(huì)變化百分之幾。
電阻——的溫度特性
從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。圖中電阻值在35范圍內(nèi)下降1/2。因此，在應(yīng)用中，一般需要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。
電阻——強(qiáng)磁阻元件的溫度特性曲線；
圖中分別顯示了恒流和恒壓電源的溫度特性。恒流電源可以獲得500 ppm/的良好溫度特性，而恒壓電源的溫度特性高達(dá)3500ppm/。然而，因?yàn)镚MR元件在開(kāi)關(guān)模式下工作，所以通常使用恒壓模式。
結(jié)磁傳感器
磁敏二極管
結(jié)構(gòu)
結(jié)型磁傳感器是PIN二極管的一種，可稱為兩端高摻雜P、N區(qū)的結(jié)型二端器件(也稱索尼二極管SMD)。較長(zhǎng)的本征區(qū)I稱為長(zhǎng)基區(qū)二極管，I的一側(cè)接地平滑；另一方面，高復(fù)合區(qū)(稱為R區(qū))是通過(guò)擴(kuò)散雜質(zhì)或噴砂制成的，這使得電子-空穴對(duì)容易在粗糙表面復(fù)合并消失。當(dāng)施加正偏壓時(shí)，p -I結(jié)向本征區(qū)I注入空穴，n -I結(jié)向本征區(qū)I注入電子，也稱為雙注入長(zhǎng)二極管。操作原理
圖(a)在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下，大量空穴以正偏壓從P區(qū)通過(guò)I進(jìn)入N區(qū)，大量電子從N區(qū)通過(guò)I進(jìn)入P區(qū)，形成電流。I區(qū)只有少量的電子和空穴重新結(jié)合。
圖(B)當(dāng)受到磁場(chǎng)B(正向)作用時(shí)，電子和空穴被FL偏轉(zhuǎn)到R區(qū)。R區(qū)的復(fù)合使I區(qū)的電流減小，電阻增大，I區(qū)的壓降增大，n -I結(jié)和p -I結(jié)上的壓降減小，使得注入的載流子再次減少，直到正向電流減小到某一穩(wěn)定值。
圖(c)當(dāng)施加磁場(chǎng)B-(反向)時(shí)，n -I和p -I結(jié)處的電壓降增加，這增加了注入的載流子，并進(jìn)一步增加電流，直到電流達(dá)到飽和。
在直流電壓下，施加正向磁場(chǎng)和反向磁場(chǎng)時(shí)PIN管的正向電流變化較大，不同磁場(chǎng)下電流變化不同。
磁敏二極管的主要特性
1、伏安特性——正向偏壓與電流的關(guān)系
鍺磁敏二極管的伏安特性曲線表明，當(dāng)磁場(chǎng)為正時(shí)，輸出電壓恒定，電流隨磁場(chǎng)的增大而減小。當(dāng)磁場(chǎng)為負(fù)時(shí)，電流隨著負(fù)方向磁場(chǎng)的增大而增大；相同磁場(chǎng)中電壓越大，輸出電流變化越大。
圖(b，c)顯示了硅磁敏二極管的伏安特性。圖(c)具有負(fù)阻特性，即電流急劇增加，偏置電壓突然下降；由于高電阻I區(qū)的熱平衡中載流子較少，注入I區(qū)的載流子在復(fù)合中心被填充前不會(huì)產(chǎn)生大電流，只有在復(fù)合中心被填充后電流才會(huì)急劇增加，而I區(qū)的壓降會(huì)降低，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。
2.磁電特性
給定條件下磁敏二極管輸出電壓變化與外加B的關(guān)系。通常有單用和互補(bǔ)兩種使用方式。單獨(dú)使用時(shí)，正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度。互補(bǔ)時(shí)，正反磁靈敏度曲線對(duì)稱，在弱磁場(chǎng)下具有良好的線性。
一次性使用時(shí)間
使用中的互補(bǔ)性
3.溫度特性
在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化 u隨時(shí)間變化.
4.四個(gè)公共補(bǔ)償電路
互補(bǔ)溫度補(bǔ)償電路圖(A)；差分溫度補(bǔ)償電路圖(B)；全橋溫度補(bǔ)償電路圖(C)；熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路圖(d)。
磁敏三極管
結(jié)構(gòu)
e，發(fā)射極，基極b和集電極c；在發(fā)射極和長(zhǎng)基極區(qū)的一側(cè)形成高復(fù)合區(qū)r。
操作原理
分析磁場(chǎng)強(qiáng)度B變化時(shí)基極電流Ib、集電極電流Ic和電流放大系數(shù)的變化。
圖(a):當(dāng)b=0時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，注入發(fā)射極區(qū)的少數(shù)載流子輸入C，大部分通過(guò)e-p-b形成Ib，Ib”Ic，電流放大系數(shù)為 1。
圖(b):施加正磁場(chǎng)(b)時(shí)，載流子被FL偏轉(zhuǎn)到發(fā)射區(qū)一側(cè)，使ic明顯下降，同時(shí)基極復(fù)合增加，Ib增加較小，電流放大系數(shù)減小。
圖(c):當(dāng)施加反向磁場(chǎng)(B-)時(shí)，載流子被FL偏轉(zhuǎn)到集電極側(cè)，這使得ic增加，基極復(fù)合減少，增加，IB幾乎不變。
磁敏三極管的主要特性
1、伏安特性
2.磁電特性
當(dāng)磁場(chǎng)較弱時(shí)，ic和B的關(guān)系是線性的。
3.溫度特性
3ACM 3BCM磁敏溫度系數(shù)為0.8%∕.
3厘米磁敏的溫度系數(shù)是-0.6%∕.
4.頻率特性
交變磁場(chǎng)
3BCM響應(yīng)t=2us截止頻率500KHz
3cm響應(yīng)t=4us截止頻率2.5MHz
新型磁傳感器
高分辨率磁性旋轉(zhuǎn)編碼器
有兩種編碼方法：絕對(duì)式和增量式。
絕對(duì)
磁鼓：在鋁合金主軸上涂上一層磁介質(zhì)(-Fe2O3)，并磁化成偶數(shù)個(gè)磁極，長(zhǎng)度為。
磁阻頭：在玻璃基板上鍍一層Ni81Fe19合金薄膜，有10個(gè)磁阻元件用于檢測(cè)增量信號(hào)，4個(gè)磁阻元件用于零通道信號(hào)檢測(cè)。
磁鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)周期性變化，磁阻也周期性變化，每個(gè)磁場(chǎng)周期對(duì)應(yīng)兩個(gè)磁阻變化周期，具有倍頻特性。
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2021-11-12 09:22:57
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