第五章磁敏传感器
磁敏传感器
2.磁敏电阻分类 是一种基于磁阻效应而制作的电阻体。它在外施磁场的 作用下(包括磁场强度及方向变化)能够改变自身的阻值。
5
6.3.1磁敏电阻
3.磁敏电阻结构与特性
LO GO
6
LO GO
6.3.1 6.3.2 6.3.3
磁敏电阻
磁敏二极管
磁敏晶体管
7
6.3.2 磁敏二极管
结构与原理
• 磁敏二极管的结构如左下图所 示。它是平面P＋-i-N＋型结构 的二极管。在高纯度半导体锗 的两端用合金法做成高掺杂P型 区和N型区。i区是高纯空间电 荷区，该区的长度远远大于载 流子扩散的长度。在i区的一个 侧面上，用扩散、研磨或扩散 杂质等方法制成高复合区r，在r 区域内载流子的复合速率较大。
9
6.3.2 磁敏二极管
主要技术特性及参数
磁敏二极管输出特性曲线
LO GO
磁敏二极管的伏安特性曲线
磁敏二极管的伏安特性曲线如图所示。当磁 感应强度B不同时，有着不同的伏安特性曲 线，线段AB为负载线。通过磁敏二极管的电 流越大，则在同一磁场作用下，输出电压越 大，灵敏度越高。在负向磁场作用下，磁敏 二极管的电阻小，电流大。在正向磁场作用 下，磁敏二极管的电阻大，电流小。
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -3 -2 -1 ΔIc/mA
一条直线。
B/0.1T 1 2 3 4 5
3BCM 磁敏三极管的磁电特性
17
再
见
c HI H+ P+
c
N+
N+ e
b
b e
12
r
(a)结构
( b)符号
6.3.3 磁敏晶体管
工作原理:
磁敏传感器的工作原理
磁敏传感器的工作原理
磁敏传感器是一种可以感应磁场的传感器，它可以将磁场的变化转化为电信号输出。
磁敏传感器的工作原理是基于磁阻效应或霍尔效应。
磁阻效应是一种磁敏传感器常用的工作原理之一。
它利用磁阻材料在外加磁场下电阻值的变化来感应磁场。
磁阻材料通常是由两种具有不同电阻的材料叠层组成，当外加磁场改变时，两种材料的电子结构的变化会导致磁阻材料的电阻值发生变化。
这种变化可以通过测量电路中的电压或电流来检测。
霍尔效应是另一种常用的磁敏传感器工作原理。
它利用材料在磁场下形成电势差的现象来感应磁场。
当材料中的载流子在外加磁场下偏转时，会在材料的两端产生电势差。
这个电势差可以通过连接到测量电路中的霍尔元件来测量。
霍尔元件通常是由半导体材料制成的，它们可以对电势差产生响应并转化为电信号。
磁敏传感器可以广泛应用于许多场合，例如测量电机转速、磁头位置、地磁场、车辆速度和方向等。
它们的优点是精度高、反应速度快、稳定性好和可靠性高。
因此，磁敏传感器已成为许多电子器件和系统中不可或缺的部分。
- 1 -。
《常考题》初中高中物理选修二第五章《传感器》知识点(含答案解析)
一、选择题1．如图是利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图。
R是光敏电阻，0R是保护定值电阻，日光充足时，电磁继电器把衔铁吸下，GH接入电路，太阳能电池板给蓄电池充电，光线不足时，衔铁被弹簧拉起，与EF接入电路，蓄电池给LED路灯供电，路灯亮起，下列关于该电路分析正确的是（）A．该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大B．增加电源电动势可以增加路灯照明时间C．增大保护电阻0R阻值可延长每天路灯照明时间D．并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间2．电磁学的成就极大地推动了人类社会的进步。
下列说法正确的是（）A．甲图是某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式充电的原理图，无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”B．在乙图中，开关由闭合变为断开，则断开瞬间触头C马上离开触点C．在丙图中，钳形电流表是利用电磁感应原理制成的，它的优点是不需要切断导线，就可以方便地测出通过导线中交变电流的大小D．丁是电容式话筒的电路原理图，声波的振动会在电路中产生恒定的电流3．在制作光控电路实验中，某同学按图所示电路将元件安装完毕后，发现将装置置入黑暗环境中接通电源时，灯泡不发光，原因不可能是（）A．二极管两极接反B．R1与R G位置颠倒C．R1阻值太小D．灯泡被断路4．关于发光二极管，下列说法正确的是（）A．发光二极管能发光，不具有单向导电性B．发光二极管能直接把光能转化为电能C．发光二极管只要在两端加有正向电压，就可以发光D．发光二极管只有加正向电压时，才有可能发光5．如图所示，额温枪因其具有快速、无接触测温的特点，广泛应用在各类新型冠状病毒防控场所．额温枪核心部件的传感器是（）A．位移传感器B．声音传感器C．力传感器D．红外温度传感器6．如图所示的电路可将声音信号转换为电信号，该电路中右侧固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀有金属层的振动膜a构成一个电容器，a、b通过导线与恒定电源两极相接。
磁敏式传感器.课件
详细描述
新型磁敏材料如稀土永磁材料、铁氧体材料等具有更高 的磁导率和磁感应强度，能够提高传感器的灵敏度和响 应速度。同时，新工艺如薄膜制备、纳米刻蚀等技术的 应用，使得传感器尺寸更小、精度更高。
多功能化与集成化
总结词
磁敏式传感器正朝着多功能化和集成化方向发展，以 满足复杂环境下多参数检测和系统集成的需求。
响应时间
总结词
响应时间是磁敏式传感器对磁场变化做出反应所需的时间。
详细描述
响应时间越短，表示传感器对磁场变化的响应速度越快。在动态测量中，需要选择响应时间较短的传 感器，以确保测量的实时性和准确性。
温度稳定性
总结词
温度稳定性是指磁敏式传感器在温度变化下 保持性能稳定的能力。
详细描述
温度稳定性越高，表示传感器受温度影响越 小，能够保证测量的准确性。在高温或温度 变化较大的环境中，选择温度稳定性较高的 磁敏式传感器尤为重要。
详细描述
多功能化传感器不仅可以检测磁场强度，还可以同时检 测温度、压力、湿度等多种参数。集成化则将多个传感 器单元集成在一个芯片上，实现多参数的同时测量和传 输，提高系统的可靠性和稳定性。
网络化与智能化
总结词
网络化和智能化是磁敏式传感器的未来 发展趋势，将推动传感器在物联网、智 能制造等领域的应用。
电子罗盘
磁敏式传感器可以用于电子罗盘的制造，提供方向信息。
要点二
磁场矢量测量
通过多个磁敏式传感器的组合，可以用于磁场矢量的测量， 常用于地球磁场测量、磁场矢量分析等领域。
06
磁敏式传感器的发展趋势与展望
新材料与新工艺的应用
总结词
随着科技的不断进步，新材料与新工艺在磁敏式传感器 中的应用越来越广泛，为传感器性能的提升和功能拓展 提供了更多可能性。
集成传感器(包括压敏、磁敏、温敏、光敏传感器)
d ——两平行极板之间的距离； ——极板间介质的介 电常数；
0 ——真空介电常数（8.854×10-12 F•m-1） r ——介质相对真空的介电常数， r空气≈1，其它介质r
>1。
两种极板结构
圆形膜结构：将敏感电容和参 考电容分开，两个电容的硅膜 半径均为a，电容极板的半径 均为b。 环形膜结构：将两种电容器合 二为一，它在半径为a的硅膜 上镀制半径为b1的圆形电极 板，作为测量电容；在测量电 容极板的外围镀制内、外径分 别为b2和b3的同心圆环，作 为参考电容。
2、温度测量电路 PTAT核心电路的关键在于 两管的集电极电流密度之比 （Jc1/Jc2）不随温度变化，为 此，供电电源采用电流镜。 电流镜由结构、特性和发射 结偏压完全相同的BG3、BG4 组成，若两只管子的输出阻抗 和电流增益均为无穷大，流过 BG1和BG2的集电极电流在任 何温度下始终相等。
敏感电容：Cx； 补偿电容：C0(温 度影响）
2、测量电路
电容变化→电信号
1）电容→电压:采用交流电源激励，并通过
整流电路来检出电容的变化，得到与电容有 关的电压信号，用电压信号反映出外部压力 的变化。
2）电容→频率:将压力敏感电容作为振荡电
路的电容元件，压敏电容的变化引起该电压 力敏感电容作为振荡路振荡频率的变化，这 样可以用频率信号的形式反映外部压力的变 化。
5.1
集成压敏传感器
集成压敏传感器依照敏感元件的不
同分为两类：
1）硅电容式集成压敏传感器：敏 感元件为电容式元件 2）扩散硅集成压敏传感器：敏感 元件为电阻式压敏元件
一、硅电容式集成传感器
构成：硅压力敏感电容器、转换 电路和辅助电路三部分构成。 首先由敏感电容器所传感的电容 量信号经转换电路转换成电压信号，再 由后继信号调理电路处理后输出。
高中物理选修二第五章《传感器》知识点(2)
一、选择题1．下列说法不正确的是（）A．霍尔元件是把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量的一种元件B．话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号C．电子秤所使用的传感器是力传感器，是把形变这个力学量转化为电压这个电学量D．电熨斗能够自动控制温度的原因是它装有双金属片温度传感器，这种传感器作用是控制电路的通断2．抗击新型冠状病毒期间，由于无法外出，某同学在家利用所学物理知识设计能显示拉力大小的电子健身器材，如图所示是原理图。
轻质弹簧右端和金属滑片P固定在一起（弹簧的电阻不计，P与R1间的摩擦不计），弹簧劲度系数为100N/cm。
定值电阻R0=5Ω，ab是一根长为5cm的均匀电阻丝，阻值R1=25Ω，电源输出电压恒为U=3V，理想电流表的量程为0～0.6A。
当拉环不受力时，滑片P位于a端。
下列关于这个电路的说法正确的是（）A．当拉环不受力时，闭合开关后电流表的读数为0AB．当拉力为400N时，电流表指针指在0.3A处C．当拉力为400N时，电流表指针指在0.5A处D．该健身器材能测量力的范围是0～400N3．如图所示，将一光敏电阻连入多用电表两表笔上，将多用电表的选择开关置于欧姆挡，用光照射光敏电阻时表针的偏角为θ，现用手掌挡住部分光线，表针的偏角变为θ′，则可判断（）A．θ′=θB．θ′<θC．θ′>θD．不能确定θ和θ′的关系4．如图所示为温度自动报警器的工作原理图，图中1是电磁铁、2是衔铁，5是水银温度计（水银导电）。
常温下3触点处于断开状态4触点处于闭合状态，则下列说法正确的是（）A．当温度低于警戒温度时电磁铁磁性增强，3触点闭合4触点断开B．此装置为低温报警装置，温度低于警戒温度时，电铃报警C．此装置为高温报警装置，温度高于警戒温度时，指示灯亮D．要提高报警时的警戒温度应使导线AB短些5．用图甲所示电路测量电流表的内阻。
闭合开关S，当变阻器的滑片滑至c处时，电流表和电压表的读数分别为40mA、9V，已知图甲中热敏电阻的I--U关系图线如图乙所示，则电流表的内阻为多少（）A．0．14ΩB．85ΩC．140ΩD．225Ω6．关于传感器，下列说法正确的是（）A．所有传感器都是由半导体材料做成的B．金属材料也可以制成传感器C．干簧管是一种能够感知电场的传感器D．传感器一定是通过感知电压的变化来传递信号的7．如图是磁敏报警装置中的一部分电路，其中R B是磁敏传感器，它的电阻随金属异物的出现而减小；a、b接报警器．闭合S，当传感器R B所在处出现金属异物时，电流表的电流I、ab两端的电压U将（）A．I减小，U减小B．I减小，U增大C．I增大，U减小D．I增大，U增大8．某智慧物流有20余台配送机器人上阵，该配送机器人能够识别红绿灯信号、规避道路障碍和来往车辆、主动礼让行人。
传感器原理与应用习题_第5章磁电式传感器
5-6 解：已知D1=18mm221+p2/，解：已知ξ=0.6，振幅误差小于2%。
若振动体作简谐振动，即当输入信号x 0为正弦波时，可得到频率传递函数为正弦波时，可得到频率传递函数÷÷øöççèæ+÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=02020021)(w w x w w w w w j j x x t 得 振幅比2022020021úûùêëé÷÷øöççèæ+úúûùêêëé÷÷øöççèæ-÷÷øöççèæ=w w x w w w w j x x t0x x t =1.02时，0w w =3.51；0x x t =0.98时，0w w=1.45因要求0w w>>1，一般取0w w ≥3，所以取0w w ≥3.515-11 已知磁电式振动速度已知磁电式振动速度传感器传感器的固有频率n f =15Hz ，阻尼系数ξ=0.7。
若输入频率为f=45Hz 的简谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？谐振动，求传感器输出的振幅误差为多少？5-12 何谓何谓霍尔效应霍尔效应？利用霍尔效应可进行哪些参数测量？ 答：当答：当电流电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。
磁敏传感器
在磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无 刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机、录像机、XY 记录仪、 打印机、电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测 转速、流量、流速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。
额定控制电流 Ic 为使霍尔元件在空气中产生 10℃温升的控制电流。Ic 大小 与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸越小，Ic 越小。一般为几 mA—几十 mA（尺寸大 的可达数百 mA）。
不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压）Uo 和不等位电阻 Ro 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，其霍尔电势电极间的电 势为不等位电势。它主要与两个电极不在同一个等位面上及其材料电阻率不均等 因素有关。可以用输出的电压表示，或用空载霍尔电压 UH 的百分数表示，一般 Uo 不大于 10mV 或±20%UH。 不等位电势与额定控制电流之比称为不等位电阻。Uo 及 Ro 越小越好。 灵敏度 kH 灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。 寄生直流电势 UOD 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电势极间产生的直流 电势为 UOD。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应 造成的。 霍尔电势温度系数 α α 为温度每变化 1℃霍尔电势傍晚的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。 若仪器要求精度高时，要选择 α 值小的元件，必要时还要家温度补偿电路。 电阻温度系数 β β 为温度每变化 1℃霍尔元件材料的电阻变化率（用百分比表示）。 （3）温度补偿及不等位电势补偿 温度补偿
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5.3.3 磁敏电阻的应用 ❖ 电机转速测量电路
图 5-35 采用磁敏电阻测量电机转速电路
第五章磁敏传感器
5.4 结型磁敏器件
1
磁敏二极管
2
磁敏三极管
第五章磁敏传感器
5.4.1 磁敏二极管 ❖ 磁敏二极管的工作原理 ❖ 磁敏二极管的主要特征 ❖ 磁敏二极管的温度补偿电路 ❖ 磁敏二极管的应用举例
图 5-20 单端输出特性
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
图 5-21 双端输出特性
第五章磁敏传感器
5.2.9 霍尔式传感器的应用 ❖ 微位移和压力的测量
图 5-22 霍尔式传感器结构原理图 1-弹簧管；2-磁铁，3-霍尔片
第五章磁敏传感器
5.2.9 霍尔式传感器的应用
图 5-23 霍尔加速度传感器结构原理图
4
霍尔元件基本特性
5
霍尔元件的电磁特性
6 霍尔元件不等位电势补偿
7
霍尔元件温度补偿
8
霍尔集成电路
霍第五尔章式磁敏传传感感器 器的应用
5.2 霍尔元件
图 5-2 霍尔实验
❖ f1 =ev×B
式中: e—电子电荷; v—电子运动平均速度; B——磁场的磁感应强度
第五章磁敏传感器
5.2 霍尔元件
b d
图 5-5 UH随x的变化曲线
第五章磁敏传感器
5.2.3 霍尔元件基本结构
❖ 霍尔元件基本结构
图 5-6 霍尔元件的基本结构
第五章磁敏传感器
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ ❖ ❖ ❖ ❖ ❖ 乘积灵敏度K ❖ 磁灵敏度SB:
第五章磁敏传感器
5.2.5 系(即UH—I特性)。
5（a）7
第五章磁敏传感器
5.3.2 磁阻元件 ❖ 磁敏电阻的温度补偿
图 5-31磁阻和温度的关系
图 5-32差动式元件温度补偿
第五章磁敏传感器
5.3.3 磁敏电阻的应用 ❖ 非接触式交流电流监视器
图 5-33 非接触式交流电流监视器电路
第五章磁敏传感器
5.3.3 磁敏电阻的应用
图 5-34 用MS-F06测量交流电流
❖ 元件的输入或输出电阻与磁场之间的关系(即R一 B特性)
图 5-9 霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场关系曲线
第五章磁敏传感器
5.2.6 霍尔元件不等位电势补偿
图 5-10 不等位电势补偿电路
第五章磁敏传感器
5.2.7 霍尔元件温度补偿
❖ 霍尔元件输入电阻温度补偿 ❖ 霍尔元件灵敏系数KH温度补偿
N 电流
复合区 H=0
（b） P
i
H+
N 电流
（c）
P
i
H-
N 电流
图 5-37 磁敏二极管的工作原理示意图
第五章磁敏传感器
5.4.1.2 磁敏二极管的主要特征
❖ 伏安特性
I/mA
2
-0.2T -0.15T -0.1T
-0.05T
0
0.05T
0.1T 0.15T 0.2T
I/mA
5 3 1
0 13
5.3.1 磁阻效应
图 5-26 不同形状样品磁电阻效应图
（a）长方形（l＞＞w）(b) 长方形（l≤w）（c）科比诺圆盘
第五章磁敏传感器
5.3.2 磁阻元件 ❖ 长方形磁敏电阻元件 ❖ 栅格磁敏电阻一高灵敏电阻 ❖ 科宾诺元件 ❖ Insb—Nisb共晶磁阻元件
图 5-30 Insb—Nisb共晶磁阻元件
图 5-7 电流I与霍尔电势UH关系曲线
第五章磁敏传感器
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出电势与直流控制电压之间的关系(即UH 一V特性)
❖ 霍尔输出与磁场(恒定或交变)之间的关系(即UH一 B特性)
图 5-8 霍尔元件的开路输出与磁感应强度关系曲线
第五章磁敏传感器
5.2.5 霍尔元件基本特性
B
－－ －－ － － － －
fl
fE
EH I
＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋
l
图 5-3 霍尔效应
第五章磁敏传感器
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 磁场与元件法线的夹角 ❖ 元件的几何形状
图 5-4 元件尺寸l/b与f(l/b)的关系曲线
第五章磁敏传感器
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 控制电极对UH的短路作用
第五章磁敏传感器
5.4.1.1 磁敏二极管的工作原理 ❖ 磁敏二极管的结构
N+区
电流
i区 p+区
H（a）
r区 H+
+ （b）
图 5-36 磁敏二极管的结构和电路符号
(a)结构;
(b)电路符号
第五章磁敏传感器
5.4.1.1 磁敏二极管的工作原理
❖ 磁敏二极管的工作原理
孔穴
（a）
P →→→ i
电子
←←←
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
图 5-15 开关型霍尔集成传感器的外形及典型接口电路
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
➢ 开关型霍尔集成传感器的工作特性
图 5-16 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
图 5-17 双稳态型传感器的工作特性曲线
❖ 磁场的测量
第五章磁敏传感器
5.3 半导体磁阻器件
1
磁阻效应
2
磁阻元件
3
磁敏电阻的应用
第五章磁敏传感器
5.3.1 磁阻效应 ❖ 物理磁阻效应 ❖ 几何磁阻效应
图 5-24 几何磁阻效应实验结果
第五章磁敏传感器
❖ 作用机理
5.3.1 磁阻效应
图 5-25 两种载流子的磁电阻效应图
第五章磁敏传感器
➢ 热敏电阻补偿法
图 5-11 恒流温度补偿电路
第五章磁敏传感器
5.2.7 霍尔元件温度补偿
➢ 双霍尔元件补偿法
❖ 霍尔元件输出电阻的温度补偿
图 5-13 霍尔元件的输出电阻对测量的影响
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
❖ 开关型霍尔集成传感器
➢ 开关型霍尔集成传感器的结构及工作原理
图 5-14 开关型霍尔集成传感器的内部电路及框图
第5章 磁敏传感器
5.1
概述
5.2
5.3
半导体磁阻器件
5.4
结型磁敏器件
5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件
5.6
压磁式传感器
5.7
新型磁传感器
第五章磁敏传感器
▪ 霍尔元件
5.1 概述
▪ 强磁体薄膜磁阻器件
▪ 半导体磁阻器件
第五章磁敏传感器
5.2 霍尔元件
1
霍尔效应
2 影响霍尔效应的因素
3
霍尔元件基本结构
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
❖ 霍尔线性集成传感器
➢ 霍尔线性集成传感器的结构和工作原理
图 5-18 单端输出线性霍尔集成传感器
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
图 5-19 双端输出线性霍尔集成传感器
第五章磁敏传感器
5.2.8 霍尔集成电路
➢ 霍尔线性集成传感器的结构和工作原理