【其他磁敏器件】 气敏器件有哪些

长江工程职业技术学院自动化教研室,课题二 其他磁敏器件,任务:自动统计钢球生产个数装置电路的设计,任务目标 ★ 熟悉磁敏电阻的原理,了解磁敏电阻的基本结构和特性参数;

★ 熟悉磁敏二极管、磁敏三极管的结构、原理及特性;

★ 利用磁敏器件设计一个自动统计小钢球生产个数的电路。,长江工程职业技术学院自动化教研室,磁敏电阻是利用磁电阻效应制成的磁敏元件,也称为MR传感器。

所谓磁电阻效应是指某些材料的电阻值随磁场而变化的现象。磁电阻效应的大小与元件的迁移率和几何形状有关;
前者称为物理磁电阻效应,后者称为几何磁电阻效应。按照所用感磁材料不同,磁敏电阻有半导体材料构成的半导体磁敏电阻和金属材料构成的强磁性薄膜磁敏电阻。,一、磁敏电阻,长江工程职业技术学院自动化教研室,无磁场时,元件的电流矢量一般呈直线状,当磁场垂直加在元件表面上时,由于霍尔电场和洛伦兹力的作用,电流矢量偏离合成电场方向θ 角(霍尔角,如图7-20(c)所示),电流经过的路径就变长了,于是电阻值也相应地增加。其中的电流矢量随磁场而异,阻值也就随着磁场而变化,称为物理磁阻效应。为了使磁敏电阻的磁阻效应更为显著(即灵敏度高),必须选用载流子迁移率大的材料。,1.半导体磁敏电阻,磁阻效应示意图,长江工程职业技术学院自动化教研室,2.强磁性薄膜磁敏电阻,强磁性薄膜磁敏电阻是基于强磁性磁敏效应的,这种效应的基本特征是在电流方向平行磁化方向(外部磁场方向)时材料的电阻率与在电流方向垂直磁化方向时的电阻率不同,即因强磁材料的磁化方向与电流方向夹角不同,其阻值有所不同。此现象称为磁各向异性效应(简称AMR)。如图7-22所示,若沿着一条长而薄的铁磁合金(铁镍合金)带的长度方向加一个电流,在沿薄片垂直电流的方向施加一个磁场,合金带自身的阻值会发生变化。磁化方向平行于电流方向时强磁性薄膜磁敏电阻阻值最大,磁化方向垂直于电流方向时强磁性薄膜磁敏电阻阻值最小。,强磁性磁敏效应示意图,长江工程职业技术学院自动化教研室,(1)灵敏度K RB/R0的比值称为磁敏电阻的灵敏度。R0为无磁场时元件的阻值,RB是磁场强度为B时的电阻值。有的厂家也用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示。

(2)磁阻特性曲线(B-R特性) 某型号磁敏电阻的电阻值R随磁感应强度B变化的曲线如图7-24所示。磁敏元件的电阻值与磁场的极性无关,只随磁场强度的增加而增加。

(3)温度系数 温度每变化1℃时,磁敏电阻的相对变化(%/℃)称为温度系数。为了补偿磁敏电阻的温度特性,可以采用两个磁敏电阻串联,用分压输出,可大大改善元件的温度特性。,3.磁敏电阻的主要特性,长江工程职业技术学院自动化教研室,图7-24 磁阻特性曲线,长江工程职业技术学院自动化教研室,二、磁敏二极管与磁敏三极管,磁敏二极管和磁敏三极管具有响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点,有很高的灵敏度,可以在较弱的磁场条件下获得较大的输出电压,这是霍尔元件和磁敏电阻所不及的。它不但能检测出磁场大小,并且能测出磁场方向,体积小、测试电路简单,所以特别适合制作无触点开关、小量程高斯计、漏磁测量仪、磁力探伤仪等仪器和仪表。,1.磁敏二极管,(1)磁敏二极管的结构和工作原理 磁敏二极管是一种电阻值随磁场强度的大小和方向均改变的结型二端磁敏元件。,长江工程职业技术学院自动化教研室,图7-26 磁敏二极管的结构与符号,高复合区,本征区,低复合面,长江工程职业技术学院自动化教研室,磁敏二极管是采用电子空穴双重注入效应及复合效应原理工作的。当加上正向电压时,二极管的阻值将随磁场的大小和方向而改变,并且随着磁场大小和方向的变化可产生正/负输出电压的变化,利用这一点可以判别磁场方向。若在磁敏二极管上加上反向电压,仅有微小电流流过,并且几乎与磁场无关,两端的电压也不会因受到磁场作用而有任何改变。因此磁敏二极管只能在正向电压下工作。,图7-27 磁敏二极管工作原理图,长江工程职业技术学院自动化教研室,(2)磁敏二极管的主要技术参数 ① 灵敏度。灵敏度是指在恒定电压(6V)作用下,磁感应强度由B=0变为B=±0.1T时所引起的磁敏二极管工作电流的相对变化量,即,,电流相对灵敏度,,电流绝对灵敏度,电压相对灵敏度,,电流恒定(I=3mA),,长江工程职业技术学院自动化教研室,② 磁电特性。磁敏二极管的磁电特性是指在一定条件下,磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系,其特性曲线如图7-28所示。在弱磁场及一定的工作电流下,曲线有较好的线性,在强磁场下则呈非线性。,,,电压绝对灵敏度,③ 伏安特性。伏安特性是指在给定磁场下磁敏二极管两端正向偏压和其中通过的电流关系。如图7-29所示是磁敏二极管在不同磁感应强度时的伏安特性曲线。由曲线可见,通过磁敏二极管的电流越大,则在一定磁场强度下输出电压越大,磁灵敏度越高。,图7-28,图7-29,长江工程职业技术学院自动化教研室,④ 温度特性。磁敏二极管的温度特性是指在标准测试条件下,其输出电压的变化量ΔU随温度变化的规律。图7-30所示为磁敏二极管的温度特性曲线,温度越高,工作电压和灵敏度均下降得越多。,图7-30 磁敏二极管的温度特性曲线,长江工程职业技术学院自动化教研室,(3)应用实例 位移测量:利用两个磁敏二极管可以组成差动输出式位移传感器,其结构及电路如图7-31所示。导磁板放置在两个磁敏二极管的中间,当导磁板向右或向左移动时,磁敏二极管VD2和VD1因离导磁板距离发生变化,导致其电阻的改变,电桥失去平衡,输出与位移成比例的信号。测量出电信号,就可以计算出位移量。,图7-31 位移传感器电路,长江工程职业技术学院自动化教研室,2.磁敏三极管,(1)磁敏三极管的结构和工作原理 图7-32所示为NPN型磁敏三极管的结构和电路符号。磁敏三极管有两个PN结,其中发射极e和基极b之间的PN结是长基区二极管,在长基区i区的侧面设置一高复合区(r区)。,长江工程职业技术学院自动化教研室,图7-33 磁敏三极管的工作原理,当磁敏三极管未受磁场作用时,由于基区宽度大于载流子有效扩散长度,大部分载流子通过e-I-b形成基极电流,少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况,使β<l。

当受到正向磁场(B+)作用时,由于磁场的作用,洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧,导致集电极电流显著下降,当反向磁场(B-)作用时,在B-的作用下,载流子向集电极一侧偏转,使集电极电流增大。,长江工程职业技术学院自动化教研室,综上所述,磁敏三极管工作原理与磁敏二极管完全相同。无外界磁场作用时,由于i区较长,在横向电场作用下,发射极电流大部分形成基极电流,小部分形成集电极电流。在正向或反向磁场作用下,会引起集电极电流的减小或增加,即三极管的β 值是随磁场变化而变化的。因此,可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减小,用磁场的强弱控制集电极电流增加或减小的变化量。,长江工程职业技术学院自动化教研室,(2)磁敏三极管的主要技术参数 ① 灵敏度h±。磁敏三极管的灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种,它们表示当基极电流恒定在IB=2mA(锗管)或IB=3mA(硅管)时,外加磁感应强度由B=0变为B=±0.1T所引起的集电极电流的相对变化量,即,,② 磁电特性。磁敏三极管的磁电特性为在基极电流恒定时,集电极电流的变化量ΔIC与外加磁场的关系曲线。图7-34所示为NPN型锗磁敏三极管3BCM的磁电特性曲线。从图中可以看出,在弱磁场区,曲线几乎成线性变化,在强磁场区,曲线趋于饱和,与磁敏二极管相似。,图7-34,长江工程职业技术学院自动化教研室,③ 温度特性。磁敏三极管的温度特性是指集电极电流随温度变化的特性。这种特性常用温度系数来表示。温度对磁敏三极管集电极输出电流的影响较大,并且温度越高,磁敏三极管对温度越敏感,因此实际使用时应进行温度补偿。对于锗磁敏三极管如3ACM、3BCM,其磁灵敏度的温度系数为0.8%/0C;
硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6%/0C 。因此,实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。,温度补尝电路(a),温度补尝电路(b),温度补尝电路(c),长江工程职业技术学院自动化教研室,自动统计钢球生产个数装置电路,三、任务分析,小钢球在工作台面上滚动,磁检测装置安装在台面下方进行检测统计,如图7-35所示。要统计出钢球数量,首先要检测到有钢球通过,然后才是计数。由于钢球通过会影响磁路和磁感应强度,磁感应强度大小会发生不大的变化,此变化产生信号不大,故要进行放大,接着进行整形变换成脉冲信号适合计数器计数。故本任务的电路结构如图7-36所示。,长江工程职业技术学院自动化教研室,图7-35 检测钢球装置示意图,图7-36 统计钢球个数装置电路的结构框图,长江工程职业技术学院自动化教研室,四、任务设计,图7-37 检测计数装置的电路图,线性型霍尔传感器,反相比例放大,长江工程职业技术学院自动化教研室,阶段小结 本课题主要介绍了磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理及特性参数,设计了一个小钢球个数自动统计的电路。

半导体元件在磁场中不仅会发生霍尔效应现象,还会发生磁阻效应现象。部分半导体材料和金属材料具有显著的磁阻效应,以此为基础制作磁敏电阻。

磁敏二极管和磁敏三极管在结构上比普通二极管和三极管多一个高复合区,在磁场作用下载流子运动发生变化,进入或背离高复合区而出现电压或电流变化的现象,即磁场可以控制输出电压变化或输出电流变化。

磁敏传感器的材料一般为半导体材料,半导体材料的参数会随温度的变化而变化。,