第6章 磁敏式傳感器原理與應用

1、第第 6 章章 磁敏式傳感器原理與應用磁敏式傳感器原理與應用6.1 6.1 霍爾傳感器霍爾傳感器16.2 6.2 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器6.3 6.3 磁敏電阻器磁敏電阻器36.4 6.4 磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管426.5 6.5 磁敏式傳感器的應用磁敏式傳感器的應用51概述 磁敏式傳感器都是利用半導體材料中的自由電子或空穴磁敏式傳感器都是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成。隨磁場改變其運動方向這一特性而制成。按其結構可分為按其結構可分為體型和結型體型和結型兩大類。兩大類。體型的有霍爾傳感器，其主要材料體型的有霍爾傳感器，其主要材料I

2、nSb(銻化銦銻化銦)、InAs（砷化銦）、（砷化銦）、Ge（鍺）、（鍺）、Si、GaAs等和磁敏電阻等和磁敏電阻InSb、InAs。結型的有磁敏二極管結型的有磁敏二極管Ge、Si，磁敏三極管，磁敏三極管Si應用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。應用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。26.1 霍爾傳感器 6.1.1 霍爾效應霍爾效應3圖圖7-1 霍爾效應霍爾效應UHbldIFLFEvB6.1.1 霍爾效應霍爾效應6.1 霍爾傳感器 4所以，霍爾電壓所以，霍爾電壓UH可表示為可表示為 UH = EH b = vBb (7-3)設霍爾元件為設霍爾元件為N型型半導體，當它通電流半導體，當它通電流I時時 FL

3、 = qvB (7-1)當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有 qEH=qvB故霍爾電場的強度為故霍爾電場的強度為 EH=vB （7-2）6.1 霍爾傳感器 5流過霍爾元件的電流為流過霍爾元件的電流為 I = dQ / dt = bdvnq得：得： v =I / nqbd (7-4) 所以：所以： UH = BI / nqd 若取若取 RH = 1 / nq 則則 dIBRUHHRH被定義為霍爾元件的被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由。顯然，霍爾系數(shù)由半導體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應的強弱。半導體材料的性質(zhì)決定，它

4、反映材料霍爾效應的強弱。 6.1 霍爾傳感器 6dRKHH 設設IBKUHH KH即為即為霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度，它表示一個霍爾元件在，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產(chǎn)生的霍爾電壓單位控制電流和單位磁感應強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小的大小. 單位是單位是V/（AT）nqdKH1 6.1 霍爾傳感器 7材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷載流子遷移率移率來表征，即在單位電場強度作用下，載流子的平均來表征，即在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。即速度值。即IEv lUv IEbBlUvbBUH 所以所以而而lBU

5、bRbdlUdBRRUdBRdIBRUHHHHH 比較得比較得 HR 或或12)-(7 HR6.1 霍爾傳感器 8結論：結論： 如果是如果是P型半導體，其載流子是空穴，若空穴濃度型半導體，其載流子是空穴，若空穴濃度為為p，同理可得，同理可得pedIBUH 霍爾電壓霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關。與材料的性質(zhì)有關。 霍爾電壓霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。與元件的尺寸有關。 HRdRKHH bBlUvbBUH 6.1 霍爾傳感器 9 霍爾電壓霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。與控制電流及磁場強度有關。6.1.2 霍爾元件的構造及測量電路霍爾元件的構造及測量電路 基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍

6、爾元件，基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用霍爾元件多采用N型半導體材料?；魻栐奖⌒桶雽w材料?；魻栐奖?d 越小越小)，kH 就越大?；魻栐苫魻柶?、四根引線就越大。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。和殼體組成，如圖所示。6.1 霍爾傳感器 101、構、構 造造6.1 霍爾傳感器 11霍爾片是一塊半導體單晶薄片霍爾片是一塊半導體單晶薄片(一般為一般為4mm2mm0.1mm)，它的長度方向兩端面上焊有，它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用兩根引線，通常用紅色導線紅色導線，其焊接處稱為，其焊接處稱為控制電極控制電極；在它的另兩側端面的中點對稱

7、地焊有在它的另兩側端面的中點對稱地焊有c、d兩根霍爾輸兩根霍爾輸出引線，通常用出引線，通常用綠色導線綠色導線，其焊接處稱為，其焊接處稱為霍爾電極霍爾電極。6.1 霍爾傳感器 122 、測量電路、測量電路W1W2UHUH（a）基本測量電路）基本測量電路WUHRLE（b）直流供電輸出方式（）直流供電輸出方式（c）交流供電輸出方式）交流供電輸出方式6.1 霍爾傳感器 136.1.3 霍爾元件的技術參數(shù)霍爾元件的技術參數(shù)1、額定功耗、額定功耗P0在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度25時，允許通過霍爾元件的電流和電壓時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。的乘積。2、輸入電阻、輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻RORi

8、是指控制電極之間的電阻值。是指控制電極之間的電阻值。R0指霍爾元件輸出電極間的電阻。指霍爾元件輸出電極間的電阻。Ri 、R0可以在無磁場時用歐姆表等測量?？梢栽跓o磁場時用歐姆表等測量。6.1 霍爾傳感器 144、霍爾溫度系數(shù)、霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化1時，時，霍爾電勢變化的百分率?；魻栯妱葑兓陌俜致?。tUUUHoHoHt/ )（即：即：)1 (tUUHoHt3、不平衡電勢、不平衡電勢U0在額定控制電流在額定控制電流I下，不加磁場時霍爾電極間的空載下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢?；魻栯妱?。6.1 霍爾傳感器 155、內(nèi)

9、阻溫度系數(shù)、內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。tRRRioioit/ ) （ )1(tRRioit 即：即：6、靈敏度、靈敏度)1(tRROoOt 或：或：dRKHH/ 減小減小d;選好的半導體材料選好的半導體材料6.1 霍爾傳感器 16霍爾元件的主要技術參數(shù)霍爾元件的主要技術參數(shù)6.1 霍爾傳感器 176.1.4 霍爾元件的測量誤差和補償霍爾元件的測量誤差和補償1、零位誤差及補償方法、零位誤差及補償方法圖圖7-4 不等位電勢不等位電勢圖圖7-5 霍爾元件

10、的等效電路霍爾元件的等效電路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R46.1 霍爾傳感器 18幾種常用補償方法幾種常用補償方法BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B6.1 霍爾傳感器 192、溫度誤差及補償、溫度誤差及補償(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進行補償利用輸入回路串聯(lián)電阻進行補償（a）基本電路）基本電路 （b）等效電路）等效電路 EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)6.1 霍爾傳感器 20元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關系式為：元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關系式為：則霍爾

11、電壓隨溫度變化的關系式為：則霍爾電壓隨溫度變化的關系式為：由圖由圖7-7可知：可知： tRRHtH 10 tRRiit 10 ittRREI ittHHHRREBdRBIdRU 6.1 霍爾傳感器 21對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式：對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式： 00200iiitiHHRRRRRRRBEdRdtdU RRRRRRRUiiitiH002200 0022000 iiitiiHRRRRRRRRREBdR 6.1 霍爾傳感器 22即即 ：由上式可看出，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使由上式可看出，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使 000 RRRii 0iRR當元件的當

12、元件的、及內(nèi)阻及內(nèi)阻Ri0確定后，溫度補償電阻確定后，溫度補償電阻R便可求便可求出。在實際應用中，當霍爾元件選定后，其出。在實際應用中，當霍爾元件選定后，其、值可以值可以從元件參數(shù)表中查出，而元件內(nèi)阻從元件參數(shù)表中查出，而元件內(nèi)阻Ri0則可由測量得到。則可由測量得到。6.1 霍爾傳感器 23（2）利用輸出回路的負載進行補償）利用輸出回路的負載進行補償 （a）基本電路）基本電路 （b）等效電路）等效電路 UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍爾元件的輸入采用霍爾元件的輸入采用恒流源恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。，使控制電流穩(wěn)定不變。即，可以即，可以不考慮輸入回路的溫度影響不考慮輸入回

13、路的溫度影響6.1 霍爾傳感器 24 在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋涸跍囟扔绊懴?，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋? 1( ) 1(00tUUtRRHHtOOt 此時，此時，RL上的電壓為上的電壓為負載電阻負載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為上電壓隨溫度變化最小的極值條件為0 dtdULt)2,yxyyxyx （ 0) 1) 100 tRRtROLO （ 0OLRR根據(jù)根據(jù)LLOHLtRRtRtUU ) 1() 1(00 6.1 霍爾傳感器 25當當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻多時，輸出電阻變化對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只變化

14、對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只考慮在考慮在輸入端輸入端進行補償即可。進行補償即可。若采用若采用恒流源恒流源，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。（3）利用恒流源進行補償）利用恒流源進行補償6.1 霍爾傳感器 26對于對于溫度系數(shù)大溫度系數(shù)大的半導體材料常使用。的半導體材料常使用。霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進行補償。例如在輸入回路串入熱敏升高而上升，就能進行補償。例如在輸入回路串入熱敏電

15、阻，當溫度上升時其阻值下降，從而電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升。使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進行補償）利用熱敏電阻進行補償（a）輸入回路補償）輸入回路補償RRt6.1 霍爾傳感器 27（b）輸出回路補償）輸出回路補償 或在輸出回路進行補償。負載或在輸出回路進行補償。負載RL上的霍爾電勢隨溫度上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。阻值減小所補償。實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使近，使它們溫度變化一致。它們溫度變化一致。RRLRt6.1 霍爾傳感器 28（5） 利用

16、補償電橋進行補償利用補償電橋進行補償調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電可以消除不等位電勢。勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構成，電橋由溫度系數(shù)低的電阻構成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。溫度變化時，熱敏電阻將隨阻。溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，電橋的輸出電溫度變化而變化，電橋的輸出電壓相應變化，仔細調(diào)節(jié)，即可補壓相應變化，仔細調(diào)節(jié)，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關。壓與溫度基本無關。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt6.1 霍爾傳感器 29集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和集成霍爾傳感

17、器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三三位一體位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，因此顯著。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，因此顯著地提高了地提高了可靠性可靠性。此外，它具有。此外，它具有體積小、重量輕、功體積小、重量輕、功耗低耗低等優(yōu)點。等優(yōu)點。6.2 集成霍爾傳感器 306.2.1 開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后

18、輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。 霍爾開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由霍爾開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成。五部分組成。 6.2 集成霍爾傳感器 316.2.2 線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場成線性比例關輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。系。 一般由一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓霍爾元件、差分放大、射

19、極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。四部分組成?；魻柧€性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。速度、磁場、電流等的測量或控制。6.2 集成霍爾傳感器 326.3.1 磁阻效應磁阻效應當載流導體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。當載流導體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。當溫度恒定時，在磁場中，磁阻與磁感應強度當溫度恒定時，在磁場中，磁阻與磁感應強度B的平方的平方成正比。成正比。如果器件只有在電子參與導電的情況下，理論推導出如果器件只有在電子參與導電的情況下，理論推導出來的磁阻效應方程為：來的磁阻效應方程為：)

20、273. 01220BB （6.3 磁敏電阻器 33電阻率的相對變化電阻率的相對變化22220273. 0BKB可以看出可以看出 ，在磁感應強度，在磁感應強度一定時，遷移率越高的材一定時，遷移率越高的材料（如料（如InSb、InAs、NiSb等半導體材料）磁阻效應越等半導體材料）磁阻效應越明顯。明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑從微觀上講，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。因磁場的作用而加長所致。6.3 磁敏電阻器 346.3.2 磁敏電阻的結構磁敏電阻的結構磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的

21、形狀有關。在恒定磁感應強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越在恒定磁感應強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。小，電阻率的相對變化越大。6.3 磁敏電阻器 35長方形磁阻器件只有在長方形磁阻器件只有在lb的長方形磁阻材料上面制的長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以條（即短路柵格），以短短路霍爾電勢路霍爾電勢.圖圖7-13 長方形磁阻器件長方形磁阻器件BIBlIb6.3 磁敏電阻器 36圖圖7-14 圓盤形磁阻器件圓盤形磁阻器件(a) (b) B圓盤形的磁阻最大。故大多做成圓盤結構。圓盤形的磁阻最大。故大多做成圓盤結構。6.3 磁

22、敏電阻器 376.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1. 靈敏度特性靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即電阻變化率來表示，即磁場磁場 電阻變化率特性曲線的電阻變化率特性曲線的斜率。斜率。在運算時常用在運算時常用RB/R0求得，求得， R0表示無磁場情況下磁阻元表示無磁場情況下磁阻元件的電阻值，件的電阻值，RB為施加為施加0.3T磁感應強度時磁阻元件的磁感應強度時磁阻元件的電阻值。電阻值。 6.3 磁敏電阻器

23、38(b) 電阻變化率特性電阻變化率特性RB/R015105溫度溫度(25)弱磁場下呈平方特性變化弱磁場下呈平方特性變化強場下呈直線特強場下呈直線特性變化性變化00.20.40.60.81.01.21.4B/TS級級(a) S、N級之間電阻特性級之間電阻特性N級級0.3 0.20.1 0 0.10.20.3R/1000500B/T圖圖7-15 靈敏度特性靈敏度特性6.3 磁敏電阻器 392. 電阻電阻 溫度特性溫度特性半導體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在半導體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應用不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應用時

24、，一般都要設計溫度補償電路。時，一般都要設計溫度補償電路。溫度（溫度（）020150504080100電阻（電阻（）100606.3 磁敏電阻器 40磁敏二極管的磁敏二極管的P型和型和N型電極由高阻材料制成型電極由高阻材料制成，在，在P、N之間有一個較長的之間有一個較長的本征區(qū)本征區(qū)I。本征區(qū)。本征區(qū)I的一面磨成光的一面磨成光滑的滑的無復合表面無復合表面（I區(qū)），另一面打毛，設置成區(qū)），另一面打毛，設置成高復高復合區(qū)合區(qū)（r區(qū)），因為電子區(qū)），因為電子空穴對易于在粗糙表面復空穴對易于在粗糙表面復合而消失。合而消失。6.4.1 磁敏二極管的工作原理和主要特性磁敏二極管的工作原理和主要特性1. 磁

25、敏二極管的結構磁敏二極管的結構 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 41+ 圖圖7-17 磁敏二極管結構示意圖磁敏二極管結構示意圖（a）結構）結構 （b）符號）符號P+N+I區(qū)區(qū)r區(qū)區(qū)6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 422. 磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 43當磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加正向偏壓當磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加正向偏壓后，則有大量的空穴從后，則有大量的空穴從P區(qū)通過區(qū)通過I區(qū)進入?yún)^(qū)進入N區(qū)，同時也有區(qū)，同時也有大量電子注入大量電子注入P區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復合掉。區(qū)復合掉

26、。P+N+I區(qū)區(qū)r面面6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 44當磁敏二極管受到外界正向磁場作用時，則電子和空當磁敏二極管受到外界正向磁場作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子區(qū)的電子和空穴復合速度比光滑面和空穴復合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因區(qū)快，因此，形成的電流因復合速度而減小。復合速度而減小。P+N+I區(qū)區(qū)r面面H+6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 45當磁敏二極管受到外界反向磁場作用時，電子和空穴當磁敏二極管受到外界反向磁場作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向受到洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏移，由于電子和空穴復區(qū)偏移，由

27、于電子和空穴復合率明顯變小，因此，電流變大。合率明顯變小，因此，電流變大。 P+N+I區(qū)區(qū)r面面H-6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 46利用磁敏二極管在磁場強度的變化下，其電流發(fā)生變化，利用磁敏二極管在磁場強度的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。于是就實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 （a） （b） （c）圖圖7-18 磁敏二極管工作原理示意圖磁敏二極管工作原理示意圖P+N+I區(qū)區(qū)r面面P+N+I區(qū)區(qū)r面面H+P+N+I區(qū)區(qū)r面面H-6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 47 3. 磁敏二極管的主要特性磁敏二極管的主要特性（1）磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管輸出的）磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管

28、輸出的電壓變化與外加磁場的關系。電壓變化與外加磁場的關系。（a）單只使用）單只使用 （b）互補使用）互補使用B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/VB / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/V6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 48（2）伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過其電流的關系）伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過其電流的關系不同磁場強度不同磁場強度H作用下，磁敏二極管伏安特性不同作用下，磁敏二極管伏安特性不同例例:鍺磁敏二極管的伏安特性。

29、鍺磁敏二極管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2 U(V)I(mA)6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 49硅磁敏二極管的伏安特性硅磁敏二極管的伏安特性(a)I（mA)312450 246 8 10 12U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)312450 246 8 10 12U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 50（3）溫度特性：在標準測試條件下，輸出電壓變化量）溫度特性：在標準測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。隨溫度的變化。一般比較大。實際使用必須進行溫度補償。硅管的使

30、一般比較大。實際使用必須進行溫度補償。硅管的使用溫度是用溫度是-40C85C，鍺管是，鍺管是-4065C。T/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20-5-4-3-2-1IUI/mAU/V6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 51圖圖7-23 溫度補償電路溫度補償電路ERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的補償電路常用的補償電路:6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 521. 磁敏三極管的結構與工作原理磁敏三極管的結構與工作原理在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半導體上用合金法或擴散法形成型本征半導體上用合金法或擴散法

31、形成發(fā)射極、基極和集電極。基區(qū)較長。基區(qū)結構類似磁敏發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長?；鶇^(qū)結構類似磁敏二極管，有高復合速率的二極管，有高復合速率的r區(qū)和本征區(qū)和本征I區(qū)。長基區(qū)分為輸區(qū)。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復合基區(qū)。運基區(qū)和復合基區(qū)。6.4.2 磁敏三極管的工作原理和主要特性磁敏三極管的工作原理和主要特性(a)結構結構 ( b)符號符號bcecN+eH-H+bIrN+P+6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 53當磁敏三極管末受磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流當磁敏三極管末受磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子通過子有效擴散長度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，形成基極

32、電流，少數(shù)載流子輸入少數(shù)載流子輸入到到c極。因而形成基極。因而形成基極電流大于集電極極電流大于集電極電流的情況，使電流的情況，使l。工作原理工作原理:N+N+eP+xIrbcy6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 54 當受到正向磁場當受到正向磁場(H+)作用時，由于磁場的作用，洛侖茲作用時，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結的一側，導致集電極電流顯著下力使載流子偏向發(fā)射結的一側，導致集電極電流顯著下降，當反向磁場降，當反向磁場(H-)作用時，在作用時，在H-的作用下，載流子向的作用下，載流子向集電極一側偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。集電極一側偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。N+N+eP+xrbycIN+

33、N+eP+xIrbcH-y6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 55圖圖7-25 磁敏三極管工作原理磁敏三極管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a） (b) (c)由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 56與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖可知，磁敏三與普通晶體管的伏安特性曲線類似。

34、由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于極管的電流放大倍數(shù)小于1。(1) 伏安特性伏安特性2. 磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)為不受磁場作用時為不受磁場作用時(2)磁場為磁場為 1kGs 基極為基極為3mA6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 57(2) 磁電特性磁電特性 磁敏三極管的磁電特性是應用的基礎，右圖為磁敏三極管的

35、磁電特性是應用的基礎，右圖為國產(chǎn)國產(chǎn)NPN型型3BCM(鍺鍺)磁敏三極管磁敏三極管的磁電特性，在的磁電特性，在弱磁場作用下，弱磁場作用下，曲線接近一條直線。曲線接近一條直線。-3 -2 -1 1 2 3 4 5B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.1 圖圖7-27 3BCM 磁敏三極管的磁電特性磁敏三極管的磁電特性 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 58(3) 溫度特性及其補償溫度特性及其補償 磁敏三極管對溫度比較敏感，使用時必須進行溫磁敏三極管對溫度比較敏感，使用時必須進行溫度補償。對于鍺磁敏三極管如度補償。對于鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為靈敏度的

36、溫度系數(shù)為0.8/0C；硅磁敏三極管；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6/0C 。因此，實際使用時。因此，實際使用時必須對磁敏三極管進行溫度補償。必須對磁敏三極管進行溫度補償。 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 59具體補償電路如圖所示。具體補償電路如圖所示。當溫度升高時，當溫度升高時，V1管集管集電極電流電極電流IC增加導致增加導致Vm管的集電極電流也增管的集電極電流也增加，從而補償了加，從而補償了Vm管因管因溫度升高而導致溫度升高而導致IC 的下降。的下降。對于硅磁敏三極管因其具有負溫度系數(shù)，可用正溫度系對于硅磁敏三極管因其具有負溫度系數(shù)，可用正溫度系數(shù)

37、的數(shù)的普通硅三極管普通硅三極管來補償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的來補償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。漂移。ECR1AmAV1VmReR2補償電路補償電路(a) 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 60利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其作為硅磁敏三極管的負載，從而當溫度升高時，可補償作為硅磁敏三極管的負載，從而當溫度升高時，可補償硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。WVmU0EC補償電路補償電路( b) 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 61下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管

38、組下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動電路。這種電路既可以提高磁靈敏度，又能成的差動電路。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。實現(xiàn)溫度補償，它是一種行之有效的溫度補償電路。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe補償電路補償電路 ( c)6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 62（4）頻率特性）頻率特性3BCM鍺磁敏三極管對于交變磁場的頻率響應特性為鍺磁敏三極管對于交變磁場的頻率響應特性為10kHz。 （5）磁靈敏度）磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度h+和負向靈敏度和負向靈敏度h-兩種。其定義如下：

39、兩種。其定義如下：T/%BIIIhCCCB10000 6.4 磁敏二極管和磁敏三級管 636.5.1 霍爾式傳感器的典型應用霍爾式傳感器的典型應用例例6-1 檢測磁場檢測磁場檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。將霍爾器檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應強器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應強度成線性正比的電壓。度成線性正比的電壓。6.5 磁敏式傳感器的應用 64例例6-2 霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器6.5 磁敏式傳感器的應用

40、 65將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從部磁場方向向下，從 a端通入電流端通入電流I，根據(jù)霍爾效應，根據(jù)霍爾效應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為兩端電勢為VH1VH2。如果。如果霍爾元件在初始位置時霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。電壓，其大小正比于位移量。6.5 磁敏式傳感器的應用 66例例6-3 霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器 圖圖7-30 霍爾壓力傳感器結構原理圖霍爾壓力傳感器結構原理圖霍爾元件霍爾元件磁鋼磁鋼壓力壓力P波登管波登管N SS N6.5 磁敏式傳感器的應用 67例例6-4 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器圖圖7-31 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結構霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結構輸入軸輸入軸輸入軸輸入軸霍爾傳感器霍爾傳感器（a） （b） 6.5 磁敏式傳感器的應用 68例例6