电子教材 6.2-2 磁敏二极管原理及应用.doc

《传感器与检测技术》—电子教材

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磁敏二极管原理及应用

一、磁敏二极管

1.磁敏二极管的结构

磁敏二极管是PN结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，其结构、符号、外形如图6-11所示。在高纯度半导体的两端用合金法制成高接杂的P型和N型两个区域，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面(为I区)，另一面打毛，成为高复合区(r区)，因为电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PN型的。

与普通二极管的区别:普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区复合，磁敏二极管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度。但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。

图6-11磁敏二极管结构示意图

2.工作原理

1)在没有外加磁场的情况下，外加正偏压时，大部分的空穴和电子分别流入N区和P区而产生电流，只有很少部分载流子在r区复合，如图6-12a所示。此时区有恒定的阻值，器件呈稳定状态。

2)若给磁敏二极管外加一个磁场H，在正向磁场的作用下，空穴和电子受洛仑兹力的作用偏向r区，如图6-12b所示。由于空穴和电子在r区的复合速率大，因此载流子复合掉的数量比在没有磁场时大得多，从而使1区中的载流子数量减少，回路中的电流减小。

3)当在磁敏二极管上加一个反向磁场H-时，载流子在洛仑兹力的作用下，均偏离复合区r，见图6-12c所示。其偏离ェ区的结果与加正向磁场时的情况恰好相反，此时磁敏二极管正向电流增大。

利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现了磁电转换。且I区和r区的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。

图6-12磁敏二极管工作原理示意图

3.磁敏二极管的主要特性

(1)磁电特性指在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系。图6-13给出了磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。由图可知，单个使用时，正向磁灵敏度大于反向;互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。

图6-13磁敏二极管磁电特性曲线

(2)伏安特性指在给定磁场的情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。如图6-14所示，不同种类的磁敏二极管伏安特性也不同。

图6-14磁敏二极管伏安特性曲线

(3)温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量(或无磁场作用时输出电压)随温度变化的规律，如图6-15所示。一般情况下，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，的温度系数小于+20mV/℃，△u的温度系数小于0.6%/℃。而储磁敏二极管的温度系数小于-60mV/℃，Aa的温度系数小于1.5%/℃。所以，规定硅管的使用温度为-40～+85℃，而储管则规定为-40～+65℃。

图6-15磁敏二极管温度特性

(4)频率特性硅磁敝二极管的响应时间，几乎等于注人载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于1μs，即响应频率高达1MHz。储磁敏二极管的响应频率小于10MHz，如图6-16所示。

图6-16锗磁敏二极管频率特性

二、磁敏二极管和磁敏晶体管的应用

磁敏二极管比较适合于应用在绝对精度要求不高、希望尽可能简单地检测磁场的有无、磁场方向及强弱等，而又能获得较大电压输出的场合。磁敏晶体管的应用技术领域与磁敏二极管相似。主要在磁场测量、大电流测量、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量、直流无刷马达和各种工业过程自动控制等技术领域中应用。

1.流量测量

图6-31所示为磁敏二极管涡轮流量计示意图，磁敏二极管用环氧树脂封装在导流头内，由导磁体同涡轮上的针形磁铁构成磁回路。磁敏二极管是不动的，当装在涡轮上的磁铁随涡轮旋转到一定位置时，磁敏二极管输出一个脉冲信号。经运算放大器放大后送到频率计，指示出流量值。这种流量计所测最小流量为0.5m/日，涡轮转速60r/min~2700r/min范围内都可以使用。

图6-31磁敏二极管涡轮流量计

2.磁敏二极管漏磁探伤

利用磁敏二极管可以检测弱磁场的变化这一特性，可以制成漏磁探伤仪。图6-32所示为漏磁探伤原理图，钢棒被磁化部分与铁心构成闭合磁路。由激磁线圈感应的磁通Φ通过棒材局部表面，若没有缺陷存在，探头附近则没有泄漏磁通，因而探头没有信号输出。如果棒材有局部缺陷，那么，缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生信号输出，如图6-32b所示。所以，根