【正文】 ， 理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為 式中 ρB — 磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B時的電阻率； ρ0 — 零磁場下的電阻率； μ — 電子遷移率； B — 磁感應(yīng)強(qiáng)度 。 當(dāng)電阻率變化為 Δρ＝ ρB ρ0時 ， 則電阻率的相對變化為： Δρ/ρ0 = = Kμ2B2。 由此可知 ， 磁場一定時遷移率越高的材料 （ 如 InSb、 InAs和 NiSb等半導(dǎo)體材料 ） ， 其磁阻效應(yīng)越明顯 。 二 、 磁敏電阻的結(jié)構(gòu) 磁敏電阻通常使用兩種 方法來制作：一種是在較 長的元件片上用真空鍍膜 方法制成 ， 如右圖 (a)所 示的許多短路電極 (光柵 狀 )的元件；另一種是在 結(jié)晶制作過程中有方向性 地析出金屬而制成磁敏電阻 ， 如上圖 (b)所示 。 除此之外 ， 還有圓盤形 ，中心和邊緣處各有一電極 ， 如上圖 (c)所示 。 磁敏電阻大多制成圓盤結(jié)構(gòu) 。 磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外 ， 還與磁敏電阻的形狀有關(guān) 。 若考慮其形狀的影響 。 電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可表達(dá)為 式中： L、 b分別為電阻的長和寬； 為形狀效應(yīng)系數(shù) 。 在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下 ， 其長度 L與寬度 b比越小 ， 則 Δρ/ρ0越大 。 各種形狀的磁敏電阻，其磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如右圖所示。由圖可見，圓盤形樣品的磁阻最大。 磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度影響較大；因此，使用磁敏電阻時．必須首先了解如下圖所示的持性曲線。然后，確定溫度補(bǔ)償方案。 磁敏二極管和磁敏三極管 霍爾元件和磁敏電阻均是用 N型半導(dǎo)體材料制成的體型元件 。 磁敏二極管和磁敏三極管是 PN結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件 ， 它們具有輸出信號大 、 靈敏度高 、 工作電流小和體積小等特點(diǎn) ， 它們比較適合磁場 、 轉(zhuǎn)速 、 探傷等方面的檢測和控制 。 一 、 磁敏二根管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1． 結(jié)構(gòu) 磁敏二極管的 P型和 N型電極由高阻材料制成 ， 在 P、 N之間有一個較長的本征區(qū) I， 本征區(qū) I的一面磨成光滑的復(fù)合表面 (為 I區(qū) )， 另一回打毛 ，設(shè)置成高復(fù)合區(qū) (為 r區(qū) )， 其目的是因為電子 — 空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失 。 當(dāng)通過正向電流后就會在 P、 I、 N結(jié)之間形成電流 。 由此可知 ， 磁敏二極管是 PIN型的 。 當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場作用時 ， 外加如下圖 (a)所示的正偏壓 ，則有大量的空穴從 r區(qū)通過 I區(qū)進(jìn)入 N區(qū) ， 同時也有大量電子注入 P區(qū)而形成電流 。 只有少量電子和空穴在 I區(qū)復(fù)合掉 。 當(dāng)磁敏二極管受到如下圖 (b)所示的外界磁場 H+(正向磁場 )作用時 ， 則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向 r區(qū)偏轉(zhuǎn) ， 由于 r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面 I區(qū)快 ，因此 ， 形成的電流因復(fù)合速度加快而減小 。 磁場強(qiáng)度越強(qiáng) ， 電子和空穴受到洛侖茲力就越大 ， 單位時間內(nèi)進(jìn)入由于 r區(qū)而復(fù)合的電子和空穴數(shù)量 就越多，載流子減少，外電路的電流越小。 當(dāng)磁敏二極管受到如右圖(b)所示的外界磁場片 H (反向磁場 )作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向 I區(qū)偏移，由于電子、空穴復(fù)合率明顯變小，則外電路的電流變大。 利用磁敏二極管的正向?qū)娏麟S磁場強(qiáng)度的變化而變化的特性，即可實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 3． 磁敏二極管的主要特性 (1)磁電待性 在給定條件下 ， 磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關(guān)系稱為磁敏二極管的磁電持性 。 磁敏二極管通常有單只和互補(bǔ)兩種使用方式 。 它們的磁電特性如下圖所示 。 出圖可知 ， 單只使用時 ， 正向磁靈敏度大于反向；互補(bǔ)使用時 ，正 、 反向磁靈敏度曲線對稱 ， 且在弱磁場下有較好的線性 。 (2)伏安特性 磁敏二極管正向偏壓和通過電流的關(guān)系被稱為磁敏二極管的伏安特性 ，如圖所示 。 從圖可知 ， 磁敏二極管在不同磁場強(qiáng)度 H下的作用 ， 其伏安特性將是不一樣 。 圖 (a)為鍺磁敏二極管的伏安特性； (b)為硅磁敏二極管的伏安特性 。 圖 (b)表示在較寬的偏壓范圍內(nèi) ， 電流變化比較平坦；當(dāng)外加偏壓增加到一定值后 ， 電流迅速增加 、 伏安持性曲線上升很快 ， 表現(xiàn)出其動態(tài)電阻比較小 。 1?3? (3)溫度特性 一般情況下 ， 磁敏二極管受濕度影響較大 ， 即在一定測試條件下 ， 磁敏二極管的輸出電壓變化量 ΔU， 或者在無磁場作用時 ，中點(diǎn)電壓 Um隨溫度變化較大 。 因此 ， 在實(shí)際使用時 ， 必須對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償 。 ① 互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路 選用兩只性能相近的磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們的磁敏面相對或背 2R22 RR ?? 1R11 RR ??IUkGs1?kGs1??? 1U?? 2U向放置串接在電路中。無論溫度如何變化，其分壓比總保持不變，輸出電壓 Um隨溫度變化而始終保持不變，這樣就達(dá)到了溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。不僅如此，互補(bǔ)電路還能提高磁靈敏度。 ② 差分式電路 如下圖 (c)所示 。 差分電路不僅能很好地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 ， 提高靈敏度 ，還可以彌補(bǔ)互補(bǔ)電路的不足 。 如果電路不平衡 ， 可適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻 R1和 R2。 ③ 全橋電路 全橋電路是將兩個互補(bǔ)電路并聯(lián)而成 。 和互補(bǔ)電路一樣 ， 其工作點(diǎn)只能選在小電流區(qū) 。 該電路在給定的磁場下 ， 其輸出電壓是差分電路的兩倍 。 由于要選擇四只性能相同的磁敏二極管 ， 會給實(shí)際使用帶來一些困難 。 ④ 熱敏電阻補(bǔ)償電路 如下圖 (e)所示 。 該電路是利用熱敏電阻隨溫度的變化 ， 而使 Rt和 D的分壓系數(shù)不變 ， 從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償 。 熱敏電阻補(bǔ)償電路的成本略低于上述三種溫度補(bǔ)償電路 ， 因此是常被采用的一種溫度補(bǔ)償電路 。 二 、 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1． 磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 在弱 P型或弱 N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極 、 基極和集電極 。其最大特點(diǎn)是基區(qū)較長 ， 基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管 ， 也有高復(fù)合速率的 r區(qū)和本征 I區(qū) 。 長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū) 。 2．磁敏三極管的工作原理 當(dāng)磁敏三極管末受到磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，大部分載流子通過 eIb，形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到 c極，因而基極電流大于集電極電流。 當(dāng)受到正向磁場 (H +)作用時，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射極的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降；當(dāng)反向磁場 (H )作用時，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。由此可知，磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。 3. 磁敏三極管的主要特性 (1)磁電特性 磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ) ， 是主要特性之一 。 例如 ， 國產(chǎn) NPN型 3BCM（ 鍺 ） 磁敏三極管的磁電特性 ， 在弱磁場作用下 ， 曲線接近一條直線 ， 如左下圖所示 。 (2)伏安特性 磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線 。 下右圖 (a)為不受磁場作用時 ， 磁敏三極管的伏安特性曲線；下右圖 (b)是磁場為177。 1kG s， 基極為 3mA時 ， 集電極電流的變化 。 由該圖可知 ， 磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于 1。 (3)溫度特性及其補(bǔ)償 磁敏三極管對溫度比較敏感 ， 實(shí)際使用時必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行溫度補(bǔ)償 。 對于鍺磁敏三極管 ， 例如 ， 3ACM， 3BCM， 其磁靈敏度的溫度系數(shù)為 ％ /℃ ；硅磁敏三極管 (3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為 ％/℃ 。 對于硅磁敏三極管可用正溫度系數(shù)的普通硅三極管來補(bǔ)償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移 。 具體補(bǔ)償電路如圖 (a)所示 。 當(dāng)溫度升高時 ，BG1管集電極電流 Ic增加 ， 導(dǎo)致 BGm管的集電極電流也增加 ， 從而補(bǔ)償了 BGm管因溫度升高而導(dǎo)致 Ic的下降 。 圖 (b)是利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的這一特性使其作硅磁敏三極管的負(fù)載 ， 當(dāng)溫度升高時 ， 可以彌補(bǔ)硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降的問題 。 除此之外 ， 還可以采用兩只特性一 致、磁極相反的磁敏三極管組成的差分電路，如圖 (c)所示，這種電路既可以提高磁靈敏度，又能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，它是一種行之有救的溫度補(bǔ)償電路。 磁敏式傳感器應(yīng)用舉例 一 、 霍爾位移傳感器 霍爾位移傳感器可制作成如圖 (a)所示結(jié)構(gòu) 。 在極性相反 、 磁場強(qiáng)度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾元件 。 當(dāng)控制電流 I恒定不變時 ， 霍爾電勢 UH與外磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿 x方向的變化梯度dB/dx如圖 (b)所示為一常數(shù)時 ， 則當(dāng)霍爾元件沿 x方向移動時 ， 霍爾電勢變化也應(yīng)是一個常數(shù) K（ 位移傳感器的輸出靈敏度 ） ： 即 UH∝ Kx 。這說明霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系。其輸出電勢的極性反映了元件位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。 當(dāng) x＝ 0時，則元件置于磁場中心位置， UH＝ 0。這種位移傳感器一般可測量 1～ 2mm的微小位移，其特點(diǎn)是慣性小，響應(yīng)速度快，無接觸測量。利用這一原理可以測量與之有關(guān)的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。 二 、 汽車霍爾點(diǎn)火器 上圖是霍爾電子點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖 。 將霍爾元件 (圖中之 3)固定在汽車分電器的白金座上 ， 在分火點(diǎn)上裝一個隔磁罩 1， 罩的豎邊根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)的缸數(shù) ， 開出等間距的缺口 2， 當(dāng)缺口對準(zhǔn)霍爾元件時 ， 磁通通過霍爾器件而成閉合回路 ， 所以電路導(dǎo)通 ， 如上圖 (a)所示 ， 此時霍爾電路輸出低電平 （ 小于等于 ） ；當(dāng)罩邊凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時 ， 電路截止 ， 如上圖 (b)所示 ， 霍爾電路輸出高電平 。 霍爾電子點(diǎn)火器原理如下圖所示。當(dāng)霍爾傳感器輸出低電平時，BG1截止， BG BG3導(dǎo)通，點(diǎn)火線圈的初級有一恒定電流通過。當(dāng)霍爾傳感器輸出高電平時， BG1導(dǎo)通，BG BG3截止，點(diǎn)火器的初級電流截斷，此時儲存在點(diǎn)火線圈中的能量，在次