【正文】 什么是霍爾效應(yīng)？霍爾元件常用材料有哪些？為什么不用金屬做霍爾元件材料？ 霍爾元件不等位電勢產(chǎn)生的原因有哪些？ 某一霍爾元件尺寸為 沿 L方向通以電流，在垂直于 L和 b的方向加有均勻磁場B，靈敏度為 22V()，試求輸出霍爾電勢及載流子濃度。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 本章要點： ? 磁電感應(yīng)式傳感器（電動式） 工作原理、 基本特性和應(yīng)用； ? 霍爾式傳感器原理、霍爾傳感器的應(yīng)用、 霍爾集成傳感器； ? 磁敏傳感器， 磁敏電阻器、磁敏二極管、 磁敏三極管。若待測鋼棒無損傷部分在鐵芯之下時，鐵芯和鋼棒被磁化部分構(gòu)成閉合磁路，激勵線圈感應(yīng)的磁通為 ?，此時無泄漏磁通，磁場二極管探頭沒有信號輸出。 漏磁探傷儀由激勵線圈 鐵芯 放大器 磁敏二極管探頭 5等部分構(gòu)成。這種傳感器的低速特性很好，因此無論流量大小都能很好計量。若采用磁性齒輪，則磁敏二極管或三極管的輸出波形近似正弦波，其頻率與齒輪的轉(zhuǎn)速成正比。 位移方向相反輸出極性變化 ， 可判別位移大小和方向 。 （ 4） 頻率特性 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，又能實現(xiàn)溫度補償，它是一種行之有效的溫度補償電路。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 長基區(qū)磁敏三極管的截止頻率主要取決于載流子渡越基區(qū)的時間。當(dāng)溫度升高時 ， BG1 管集電極電流 Ic1 增加 ， 導(dǎo)致 BGm 管的集電極電流也增加 ， 從而補償了 BGm 管因溫度升高而導(dǎo)致 Ic 的下降 。 對于鍺磁敏三極管 ， 其磁靈敏度的溫度系數(shù)為 ％ ／ ℃ ；硅磁敏三極管磁靈敏度的溫度系數(shù)為－ ％ ／ ℃ 。 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。由該圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于 1 ，但其集電極電流有很高的磁靈敏度。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 3. 磁敏三極管的主要特性 （ 1） 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。 在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化 。因而形成了基極電流大于集電極電流的情況，使 1??bcII?? 當(dāng)受到正向磁場 ( B+ )作用時（圖 d），洛侖茲力使載流子偏向復(fù)合基區(qū)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 2. 磁敏三極管的工作原理 ? 當(dāng)磁敏三極管未受到磁場作用時（圖 c）， be間加一定的偏壓后，發(fā)射結(jié)的載流子分別飛向兩個基區(qū)。其最大特點是基區(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)。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 三、磁敏三極管 1. 磁敏三極管的結(jié)構(gòu) 硅磁敏三極管和鍺磁敏三極管均屬雙極性長基區(qū)晶體管結(jié)構(gòu)。 ④ 熱敏電阻補償電路 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 ， 從而實現(xiàn)溫度補償 。 該電路在給定的磁場下 ，其 輸出電壓是差分電路的兩倍 。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 ③ 全橋電路 將兩個互補電路并聯(lián)而成 。 ② 差分式電路 差分電路不僅能很好地實現(xiàn)溫度補償 ， 提高靈敏度 ， 而且還可以彌補互補電路的不足 (具有負阻現(xiàn)象的磁敏二極管不能用作互補電路 )。因此總的輸出電壓變化量為 ?Um= ?U1＋ ＋ ?U2－ 。 ? 互補電路還能 提高磁靈敏度 。在互補電路中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向放置，并把它們串接在電路中，就可形成互補電路。因此，在實際使用時，必須對其進行溫度補償。 %1 0 0%1 0 00000??????BIIISBUUUSBRIBRu圖 標準測試方法電路原理圖 V mAERUc《 傳感器原理及應(yīng)用 》 3. 磁敏二極管的溫度特性及其補償 一般情況下，磁敏二極管受溫度影響較大，即在一定測試條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量 ?U， 或者在無磁場作用時，中點電壓 Um 隨溫度變化較大。SI %10000 ???BIIIS BI圖 電流相對磁靈敏度測量電路 V mAE《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 3） 按照標準測試 ,在給定電源 E和負載電阻 R的條件下 ,電壓相對磁靈敏度和電流相對磁靈敏度被定義為 式中： U0、 I0是磁場為零時 ,磁敏二極管兩端的電壓和流過的電流； UB、IB是磁場為 B時 ,磁敏二極管兩端的電壓和通過的電流 。 SU的測量電路如圖所示 。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 3） 磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法 。 它們的磁電特性如圖所示 。 3. 磁敏二極管的主要特性 （ a）鍺管 （ b）硅管，俘獲中心作用強 （ c）硅管，俘獲中心作用弱 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 2） 磁電特性 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特性 。圖（ a）為鍺磁敏二極管的伏安特性。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 （ 1） 伏安特性 磁敏二極管正向偏壓和通過其上電流的關(guān)系被稱為磁敏二極管的伏安特性。 磁敏二極管 加正向偏壓 ，在磁場強度的變化下，其 正向電流 發(fā)生變化，實現(xiàn)了磁電轉(zhuǎn)換。 ? 當(dāng)磁敏二極管受到外界磁場 B+（正向磁場）作用時，如圖 （ c）所示，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)合速度快而減小。 二、磁敏二極管 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 2. 磁敏二極管的工作原理 ? 當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場作用時 ， 外加正偏壓 ， 如圖 （ b） 所示 ，則有大量的空穴從 P 區(qū)通過 I 區(qū)進入 N 區(qū) ， 同時應(yīng)有大量電子注入 P 區(qū) ， 形成電流 。由此可知， 磁敏二極管是 PIN 型的 。 MRS型系列磁敏電阻傳感器 驗鈔筆、驗鈔儀順著紙幣上的磁性防偽線掃描 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 1. 磁敏二極管 （ SMD） 結(jié)構(gòu) 磁敏二極管在 P， N 之間有一個較長（載流子擴散長度的 5倍以上）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)），另一面用噴砂法打毛，形成高復(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。在該元件的磁敏表面上垂直施加磁通量時，則可使其電阻發(fā)生變化。 ? 可測磁性齒輪，磁性墨水，磁性條形碼，磁帶，識別有機磁性（自動售貨機）。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 磁敏電阻的結(jié)構(gòu) 等效電路 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 ? 磁敏電阻與霍爾元件屬同一類 ,都是磁電轉(zhuǎn)換元件 ,二者本質(zhì)不同是磁敏電阻沒有判斷極性的能力 ,只有與輔助材料 (磁鐵 )并用才具有識別磁極的能力 . （ 3）磁敏電阻的輸出特性 RM 磁敏電阻電路符號 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 ? 無偏置磁場時只能檢測磁場不能判別磁性 。 在圓盤中任何地 方都不會積累電荷也不會產(chǎn)生霍爾電場 。 扁條狀長形：霍爾電勢 EH很小 ,電流磁場作用偏轉(zhuǎn) 厲害 ， 效應(yīng)明顯 。（ 幾何磁阻效應(yīng) ） 在恒定磁感應(yīng)強度下 ， 磁敏電阻的長度與寬度的比越小 ，電阻率的相對變化越大 。 從微觀上講 ， 材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致 。 若器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下 ， 理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為 一、磁敏電阻元件 167。 磁敏二極管 磁敏三極管 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 磁阻效應(yīng)： 當(dāng)載流體置于磁場中 ， 其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象 。 磁敏傳感器主要有： 磁敏電阻； 167。 7. 制造霍爾元件的半導(dǎo)體材料中，目前用的較多的是鍺、銻化銦、砷化銦，其原因是（ ） A. 半導(dǎo)體中電子遷移率比空穴高 B. 半導(dǎo)體材料的電子遷移率比較大 C. 半導(dǎo)體較適宜制造靈敏度較高的霍爾元件 D. 半導(dǎo)體載流子濃度比金屬的大 8. 霍爾效應(yīng)中，霍爾電動勢與（ ） A. 靈敏度成反比 B. 靈敏度成正比 C. 霍爾元件的厚度成反比 D. 霍爾元件的厚度成正比 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 9. 霍爾效應(yīng)中 ， 霍爾電動勢與 （ ） A. 激磁電流成正比 B. 激磁電流成反比 C. 磁感應(yīng)強度成正比 10. 下列不屬于霍爾元件基本特性參數(shù)的是（ ）。 5. 可以減小霍爾元件的輸出不等位電勢的辦法是①工藝上保證電極對稱，實現(xiàn)歐姆接觸；② 。 (3) 。 比金屬的小得多 ， 因而霍爾常數(shù)大 ， 加上半導(dǎo)體中電子的 比空穴大 ， 故霍爾元件多采用 材料制成 。當(dāng)液面升、降到極限位置時，霍爾開關(guān)集成電路便輸出信號用以控制電機的開、關(guān)，從而達到控制液位的目的。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 圖（ a），當(dāng)齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平； 圖（ b），當(dāng)齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 ?轉(zhuǎn)角HV0? ?2?轉(zhuǎn)角HV0? NS 霍爾元件永磁體被測軸永磁體安裝在軸端 ?NS被測軸霍爾元件永磁體永磁體安裝在軸側(cè) 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 S N 線性霍爾 磁鐵 將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。 《 傳感器原理及應(yīng)用 》 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾 IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾 IC）起到限位的作用?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵（永磁）。