磁敏傳(chuan) 感器是將磁場信息轉換成各種有用信號的裝置。它是各種測磁儀(yi) 器的核心。為(wei) 了檢測並利用磁碭，人們(men) 研製了各種測磁儀(yi) 器。到目前為(wei) 止，已形成了十多種常用的測磁方法，研製和生產(chan) 出了幾十個(ge) 大類上百種測磁儀(yi) 器。

一般的測磁儀(yi) 器都是由磁敏元件、轉換器、信號處理電路和讀出電路組成。儀(yi) 器的基本性能(例如靈敏度、動態範圍、精確度)，主要由它的傳(chuan) 感器來決(jue) 定。信號處理電路可以提供放大、轉換(例如F/ V、A/D等轉換)、補償(chang) 、校正等功能。

隨著磁性材料的發展，人們(men) 利用各種磁性材料來作信息載體(ti) ，例如計算機信息存儲(chu) 、音像信息的記錄各種物體(ti) 運動信息，包括位置、位移、速度、轉速等等，都可以借助磁性體(ti) 來作載體(ti) 。因而需要大量的、各種各樣的磁的讀出、寫(xie) 入和傳(chuan) 感裝置。從(cong) 而促使磁敏傳(chuan) 感器逐漸地和測磁儀(yi) 器分離，形成了獨立的磁敏傳(chuan) 感器產(chan) 品。磁敏傳(chuan) 感器產(chan) 業(ye) 發展迅猛，可以說“任何一台計算機、一輛汽車、一家工廠離開磁敏傳(chuan) 感器就不能夠正常工作”。同時，磁敏傳(chuan) 感器已深入到人們(men) 的日常生活，許多家用電器都大量地使用著磁敏傳(chuan) 感器。

磁敏傳(chuan) 感器的應用日益擴大，地位越來越重要，按其結構主要分為(wei) 體(ti) 型和結型兩(liang) 大類。前者的代表有霍爾傳(chuan) 感器，後者的代表有磁敏二極管、磁敏晶體(ti) 管等。他們(men) 都是利用半導體(ti) 材料內(nei) 部的載流子隨磁場改變運動方向這一特性而製成的一種磁傳(chuan) 感器。另外還有利用電磁感應原理製成的磁電式傳(chuan) 感器。

霍爾式傳(chuan) 感器

霍爾效應

置於(yu) 磁場中的靜止載流導體(ti) 或半導體(ti) ，當它的電流方向和磁場方向不一致時，載流導體(ti) 上垂直於(yu) 電流和磁場方向上的兩(liang) 個(ge) 麵之間產(chan) 生電動勢，這種現象稱霍爾效應。該電動勢稱霍爾電勢，載流導體(ti) （多為(wei) 半導體(ti) ）稱霍爾元件。霍爾效應是導體(ti) 中的載流子在磁場中受洛侖(lun) 磁力作用發生橫向漂移的結果。

如圖在與(yu) 磁場垂直的半導體(ti) 薄片上通電流I，假設載流子為(wei) 電子（N型半導體(ti) 材料），它沿與(yu) 電流I相反的方向運動。由於(yu) 洛侖(lun) 茲(zi) 力fL的作用，電子將向一側(ce) 偏轉（如虛線箭頭方向），並使改側(ce) 形成電子積累。而另一側(ce) 形成正電荷積累，元件的橫向形成電場。該電場阻止電子繼續向側(ce) 麵偏移，當電子所受到的電場力fE與(yu) 洛侖(lun) 茲(zi) 力fL相等時，電子積累達到動態平衡。這時，在兩(liang) 端橫麵之間建立的電場稱為(wei) 霍爾電場EH，相應的電勢稱為(wei) 霍爾電勢UH。

設霍爾片的長度為(wei) L，寬度為(wei) b，厚度為(wei) d。又設電子以均勻的速度v運動，則在垂直方向施加的磁感應強度B的作用下，它受到洛侖(lun) 茲(zi) 力

又因為(wei)

當控製電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當磁場與(yu) 電流同時改變方向時，霍爾電勢並不改變方向。通常應用時，霍爾片兩(liang) 端加的電壓為(wei) E，如果將霍爾電勢中的電流I改寫(xie) 成E，可使計算方便，根據

由上式可知，適當地選擇材料遷移率(μ)及霍爾片的寬長比(b/L)，可以改變霍爾電勢UH值。

霍爾元件的結構

器件電流(控製電流或輸入電流)：流入到器件內(nei) 的電流。

電流端子A、B相應地稱為(wei) 器件電流端、控製電流端或輸入電流端。霍爾輸出端的端子C、D相應地稱為(wei) 霍爾端或霍爾電極、輸出端。若霍爾端子間連接負載,稱為(wei) 霍爾負載電阻或霍爾負載。電流電極間的電阻，稱為(wei) 輸入電阻，或者控製內(nei) 阻。霍爾端子間的電阻，稱為(wei) 輸出電阻或霍爾側(ce) 內(nei) 部電阻。

霍爾元件的特性

UH－I特性

當磁場(B)恒定時，在一定溫度下，測定控製電流I與(yu) 霍爾電勢UH，可得到良好的線性關(guan) 係。直線的斜率稱為(wei) 控製電流靈敏度，用KI表示，

由此可得，靈敏度KH大的元件，其控製電流靈敏度KI一般也大。但是靈敏度大的元件，UH不一定大，因為(wei) UH還與(yu) I有關(guan) 。

UH－B特性

當控製電流I保持不變時，元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加不完全呈現線性關(guan) 係，而有非線性偏離。

誤差分析及補償(chang) 方法

1、元件幾何尺寸及電極焊點大小對性能的影響

①幾何尺寸對性能的影響

在霍爾效應原理分析時，我們(men) 是將霍爾片的長度L看作無窮大來考慮的。實際上，霍爾片的長度是有限的，如果L太小，當小到某個(ge) 極限值時，霍爾電場會(hui) 被控製電流極短路，因此在霍爾電勢的表達式中增加一項與(yu) 幾何尺寸有關(guan) 的係數，

實驗表明，當L/b>2時，形狀係數fH(L/b)接近1。為(wei) 了提高元件的靈敏度，可適當增大L/b值，實際設計時取L/b=2就足夠了。

②電極焊點大小對性能的影響

霍爾電極的大小對霍爾電勢的輸出也存在一定的影響。按理想元件的要求，控製電流的電極應與(yu) 霍爾元件是良好的麵接觸，而霍爾電極與(yu) 霍爾元件為(wei) 點接觸。實際上，霍爾電極有一定的寬度l，它對元件的靈敏度和線性度有較大的影響。研究表明，當l/L<0.1時，電極寬度的影響可忽略不計。

2、不等位電勢U0及其補償(chang)

製作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位麵上，如圖，當控製電流I流過元件時，即使磁感應強度等於(yu) 零，在霍爾電勢極上仍有電勢存在，該電勢稱為(wei) 不等位電勢U0。不等位電勢是產(chan) 生零位誤差的主要原因。其等效電路如圖所示，若兩(liang) 個(ge) 霍爾電極在同一等位麵上，則r1=r2=r3=r4，電橋平衡，U0=0。當霍爾電極不在同一等位麵上時（如圖2.1.3），因r3增大、r4減小，電橋平衡被破壞，使U0≠0。有各種方法可以減小不等位電勢以達到補償(chang) 的目的。

半導體(ti) 磁阻傳(chuan) 感器

磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎為(wei) 磁阻效應。

磁阻效應

磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎為(wei) 磁阻效應。

若給通以電流的金屬或半導體(ti) 材料的薄片加以與(yu) 電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現象為(wei) 磁致電阻變化效應，簡稱為(wei) 磁阻效應。

在磁場中，電流的流動路徑會(hui) 因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導體(ti) 材料的兩(liang) 種載流子 (電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化，它可表示為(wei) ：

B——為(wei) 磁感應強度；

ρ——材料在磁感應強度為(wei) B時的電阻率；

ρ0 ——材料在磁感應強度為(wei) 0時的電阻率；

μ——載流子的遷移率。

當材料中僅(jin) 存在一種載流子時磁阻效應幾乎可以忽略，此時霍耳效應更為(wei) 強烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應很強。磁阻效應還與(yu) 樣品的形狀、尺寸密切相關(guan) 。這種與(yu) 樣品形狀、尺寸有關(guan) 的磁阻效應稱為(wei) 磁阻效應的幾何磁阻效應。長方形磁阻器件隻有在L(長度)

圖 (a)是沒有柵格的情況，電流隻在電極附近偏轉，電阻增加很小。在L>W長方形磁阻材料上麵製作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件如圖2.2.1(b)所示，就相當於(yu) 許多扁條狀磁阻串聯。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。常用的磁阻元件有半導體(ti) 磁阻元件和強磁磁阻元件。其內(nei) 部有製作成半橋或全橋等多種形式。

磁阻元件

長方形磁敏電阻元件；

物理磁阻效應和幾何磁阻效應同時存在。

弱場時的磁阻比

柵格型磁敏電阻→高靈敏電阻

g’為(wei) 子元件的形狀係數，g’增強很多，則msn增大，RBn增大。

科賓諾元件

結構形式

盤形元件；

中心與(yu) 外圓周邊裝有電流電極。

原理：

電流在兩(liang) 個(ge) 電極間流動；

載流子的運動路徑因磁場發生彎曲；

電阻增大

磁敏電阻的特性

靈敏度特性

磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場——電阻特性的斜率。常用K表示，單位為(wei) mV/mA.kG即Ω.Kg。在運算時常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為(wei) 在施加0.3T磁感應強度時磁阻元件表現出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大於(yu) 2.7。

磁場——電阻特性

磁阻元件的電阻值與(yu) 磁場的極性無關(guan) ，它隻隨磁場強度的增加而增加如圖(a)。在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現平方特性，而超過0.1T後呈現線性變化如圖 (b)。

強磁磁阻元件電阻——磁場特性曲線

從(cong) 圖中可以看出它與(yu) 磁阻元件曲線相反，即隨著磁場的增加，電阻值減少。並且在磁通密度達數十到數百高斯即飽和。一般電阻變化為(wei) 百分之幾。

電阻——溫度特性

從(cong) 圖中可以看出，半導體(ti) 磁阻元件的溫度特性不好。圖中的電阻值在35℃的變化範圍內(nei) 減小了1/2。因此，在應用時，一般都要設計溫度補償(chang) 電路。

強磁磁阻元件的電阻——溫度特性曲線：

圖中分別給出了采用恒流、恒壓供電方式時的溫度特性。采用恒流供電時，可以獲得–500ppm/℃的良好溫度特性，而采用恒壓供電時卻高達3500ppm/℃。但是由於(yu) 強磁磁阻元件為(wei) 開關(guan) 方式工作，因此常用恒壓方式。

結型磁敏傳(chuan) 感器

磁敏二極管

結構

結型磁敏傳(chuan) 感器是一種PIN型二極管，可稱為(wei) 結型二端器件(也叫索尼二極管SMD)兩(liang) 端為(wei) 高摻雜的P+和n+區；較長的本征區I稱為(wei) 長基區二極管，I的一麵磨成光滑的；另一麵用擴散雜質或噴砂法製成高複合區（稱為(wei) r區），使電子-空穴對易於(yu) 在粗糙表麵複合而消失。施加正偏壓時p+-I結向本征區I注入空穴，n+-I結向本征區I注入電子，又稱為(wei) 雙注入長二極管。

工作原理

圖(a)無磁場，施加正偏壓有大量的空穴從(cong) p+區通過I進入n+區，大量的電子從(cong) n+區通過I進入p+區，形成電流。I區隻有少量的電子和空穴被複合掉。

圖(b)當受磁場B+（正向）時，電子和空穴受到FL向r區偏轉，在r區複合使I區電流減小、電阻增大，I區壓降增大、n+-I結和p+-I結上壓降減小，使注入載流子再次減小，直至正向電流減小到某一穩定值為(wei) 止。

圖(c)當受磁場B-（反向）時，n+-I和p+-I結上壓降增大，使注入載流子增加、電流進一步增大，直至電流達到飽和止。

正向電壓下，加正向磁場和反向磁場時，PIN管的正向電流發生了很大的變化，且磁場的大小不同，電流變化也不同。

磁敏二極管的主要特性

1、伏安特性--正向偏壓與(yu) 電流的關(guan) 係

Ge磁敏二極管的伏安特性曲線，輸出電壓一定，磁場正向時隨磁場增大電流減小；磁場負向時隨磁場負方向增加電流增加；同一磁場下電壓越大，輸出電流變化量也越大。

圖(b、c)為(wei) 矽磁敏二極管的伏安特性。圖(c)有負阻特性，即電流急劇增加，偏壓突然跌落；因高阻I區熱平衡載流子較少，注入I區的載流子在未填滿複合中心前不會(hui) 產(chan) 生較大的電流，隻有填滿後電流才開始急增，同時I區壓降減小，呈現負阻特性。

2、磁電特性

在給定條件下磁敏二極管的輸出電壓變化量與(yu) 外加B的關(guan) 係。常有單隻使用和互補使用兩(liang) 種方式。單隻使用時正向磁靈敏度大於(yu) 反向。互補使用時正、反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱磁場下有較好的線性。

單個(ge) 使用時

互補使用時

3、溫度特性

在標準測試條件下輸出電壓變化量ΔU隨T變化。

4、四種常用補償(chang) 電路

互補式溫度補償(chang) 電路圖(a)；差分式溫度補償(chang) 電路圖 (b)；全橋溫度補償(chang) 電路圖(c)；熱敏電阻溫度補償(chang) 電路圖 (d)。

磁敏三極管

結構

發射極e、基極b、集電極c；在射極和長基區間的一個(ge) 側(ce) 麵製成一高複合區r。

工作原理

分析磁場強度B變化時，基極電流Ib、集電極電流Ic和電流放大倍數β的變化。

圖(a)：B=0時，由於(yu) 基區寬度大於(yu) 載流子的有效擴散長度，發射區注入的載流子少數輸入c、大部分通過e-p-b形成Ib，Ib>Ic，電流放大倍數β<1。

圖(b)：當受到正向磁場(B+)作用時載流子受FL作用向發射區一側(ce) 偏轉，使IC明顯下降，同時基區複合增大，Ib增加量較小，電流放大倍數β減小。

圖(c)：反向磁場(B-)作用時，載流子受FL作用向集區一側(ce) 偏轉，使IC增大，基區複合減小，β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

較弱磁場時，Ic與(yu) B是線形關(guan) 係

3、溫度特性

3ACM 3BCM 磁靈敏度的溫度係數為(wei) 0.8%∕℃

3CCM磁靈敏度的溫度係數為(wei) -0.6%∕℃

4、頻率特性

磁場交變

3BCM 響應t=2us 截止頻率500KHz

3CCM 響應t=4us 截止頻率2.5MHz

新型磁傳(chuan) 感器

高分辨率磁性旋轉編碼器

按編碼方式的有絕對式和增量式兩(liang) 種。

絕對式：將被測點的絕對位置直接轉換為(wei) 二進製的數字編碼輸出。中途斷電，重新上電後也能讀出當前位置的數據。

增量式：測量輸出的是當前狀態與(yu) 前一狀態的差值。通常以脈衝(chong) 數字形式輸出，然後用計數器計取脈衝(chong) 數。需要規定脈衝(chong) 當量（一個(ge) 脈衝(chong) 所代表的被測物理量的值）和零位標誌（測量的起始點標誌）。中途斷電無法得知運動部件的絕對位置。

磁阻式磁性編碼器具有結構緊湊、高速下仍工作穩定、抗汙染能力強、抗振抗爆能力強、耗電少等優(you) 點。

磁性旋轉編碼器包含磁鼓和磁阻傳(chuan) 感器頭。

磁鼓：在鋁合金錠子上敷上一層磁性介質(γ-Fe2O3)，並被磁化成具有偶數個(ge) 長度為(wei) λ磁極。

磁阻頭：在玻璃基片上鍍上一層Ni81Fe19合金薄膜，並列有10個(ge) 檢測增量信號的磁阻元件，4個(ge) 用於(yu) 零道信號檢測的磁阻元件。

磁鼓旋轉時，磁場周期性地變化，磁阻也周期性地變化，且每個(ge) 磁場周期對應兩(liang) 個(ge) 磁阻變化周期，具有倍頻特性。

渦流傳(chuan) 感器

在一個(ge) 磁棒上繞一組線圈，工作時加上震蕩頻率為(wei) 60kHz的電信號，其磁棒具有增強電磁感應的作用。當其磁棒和繞組平行接近被測導體(ti) 時，震蕩線圈產(chan) 生的交變磁場作用於(yu) 導體(ti) ，被測導體(ti) 表麵會(hui) 產(chan) 生與(yu) 激勵磁場相交鏈的渦流，此渦流又產(chan) 生一交變磁場反作用於(yu) 線圈，以阻礙激勵磁場的變化；同時被測導體(ti) 表麵流動的電渦流產(chan) 生熱量消耗，使激勵線圈的電感量L、阻抗Z、品質因數Q發生變化；因此可以利用線圈這些參數的變化，把被測導體(ti) 的參數變換成電學量來測量。在線圈兩(liang) 端並聯一個(ge) 電容組成諧振電路，沒有金屬導體(ti) 時的諧振頻率為(wei) f0，檢測到導體(ti) 時諧振頻率偏離，若被測導體(ti) 為(wei) 非磁性材料，則諧振峰右移，若為(wei) 軟磁材料，則諧振峰左移，這樣可以用渦流傳(chuan) 感器探測隱蔽在地下、牆壁內(nei) 等金屬管道、電纜或導線。由於(yu) 回路的等效阻抗Z的變化，使輸出電壓變化，可以用回路輸出電壓的大小來表示探測儀(yi) 與(yu) 被測物體(ti) 的距離。

另外，以磁性材料為(wei) 主開發出很多磁性傳(chuan) 感器，已經實用化的有鐵磁金屬薄膜磁敏器件、Fe-Co-V合金絲(si) 的威氏器件、熱敏鐵氧體(ti) 的熱簧開關(guan) 、利用法拉第原理設計的光纖電流傳(chuan) 感器和隔離器、磁性液體(ti) 的多維度傾(qing) 斜及震動傳(chuan) 感器等等。利用Fe/Cr多層膜的巨磁電阻效應、磁性金屬/非磁性絕緣體(ti) /磁性金屬(FM/I/FM)型隧道結Fe/Al2O3/Fe的隧道巨磁電阻效應(TMR)、類鈣態礦結構Mn係氧化物Ln1-xMxMnO3氧化物的特大磁電阻效應(CMR)製備成高精度磁敏電阻，在實現自動化高精密控製方麵具有廣闊的應用前景。