第八章 磁電式傳感器(半導(dǎo)體)

1、1第八章 磁電式傳感器 磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,)敏感的元器件或敏感的元器件或裝置裝置 ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。 一、霍耳磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器 二、磁敏二極管和磁敏三極管二、磁敏二極管和磁敏三極管 三、磁敏電阻三、磁敏電阻 磁電式傳感器的種類很多，本章僅介紹其中的半導(dǎo)磁電式傳感器的種類很多，本章僅介紹其中的半導(dǎo)體磁敏傳感器。體磁敏傳感器。2 一、霍耳磁敏傳感器一、霍耳磁敏傳感器 （一）霍耳效應(yīng)（一）霍耳效應(yīng) 導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)B 中，在相對(duì)兩側(cè)通以電流中，在相對(duì)兩側(cè)通以電流I，在

2、垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生一個(gè)大小與電流在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生一個(gè)大小與電流I和磁感應(yīng)和磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度B的乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)的乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，該薄片稱為霍爾元件。稱為霍爾電勢(shì)，該薄片稱為霍爾元件。+I+ +lbd霍耳效應(yīng)原理圖VH3（二）霍耳磁敏傳感器工作原理（二）霍耳磁敏傳感器工作原理 設(shè)霍爾元件為設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，其長(zhǎng)度為型半導(dǎo)體，其長(zhǎng)度為l，寬度為，寬度為b，厚度為，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度B的作

3、用下，空穴受到的作用下，空穴受到洛侖茲力洛侖茲力q電子電量電子電量(1.6210- -19C)； v載流子運(yùn)動(dòng)速度。載流子運(yùn)動(dòng)速度。 根據(jù)右手螺旋定則，電子運(yùn)動(dòng)方向向上偏移，則在上端產(chǎn)根據(jù)右手螺旋定則，電子運(yùn)動(dòng)方向向上偏移，則在上端產(chǎn)生電子積聚，下端失去電子產(chǎn)生正電荷積聚。從而形成電場(chǎng)。生電子積聚，下端失去電子產(chǎn)生正電荷積聚。從而形成電場(chǎng)。電場(chǎng)作用于電子的電場(chǎng)作用于電子的電場(chǎng)力為電場(chǎng)力為 qvBfLbqVqEfHHE/vBbVbqVqvBHH/ 電場(chǎng)力與洛侖茲力方向相反，阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到動(dòng)電場(chǎng)力與洛侖茲力方向相反，阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)態(tài)平衡時(shí)4dnqvbdjbjsInqd

4、IBvbBVdnqIvbH/pqdIBVH/霍耳電勢(shì)霍耳電勢(shì)VH與與 I、B的乘積成正比，而與的乘積成正比，而與d成反比?？筛膶懗桑撼煞幢取？筛膶懗桑?dIBRVHHHR電流密度電流密度j=nqvn nN N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的電子濃度中的電子濃度P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 霍耳系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定。霍耳系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定。p pP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的空穴濃度中的空穴濃度型）（型）（PqpRNqnRHH11材料電阻率材料電阻率載流子遷移率載流子遷移率金屬材料電子金屬材料電子很高但很高但很小，絕緣材料很小，絕緣材料很高但很高但很小。故為很小。故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材

5、料制成。而電子的獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。而電子的遷移率比空穴大，所以以遷移率比空穴大，所以以N N型半導(dǎo)體居多。型半導(dǎo)體居多。HR5設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為的方向與霍爾元件的平面法線夾角為時(shí)，時(shí)，霍耳電霍耳電勢(shì)勢(shì)應(yīng)為：應(yīng)為： VH KH I B VH KH I B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍霍

6、耳電耳電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，時(shí)，霍耳電霍耳電勢(shì)并不改變方向。勢(shì)并不改變方向。6霍耳器件片(a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（三）霍耳磁敏傳感器（霍爾元件）（三）霍耳磁敏傳感器（霍爾元件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w電流極霍耳電極R4ABCDR1R2R3R4（c）7霍耳輸出端的端子霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱相應(yīng)地稱為為霍耳端霍耳端或輸出端。或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳稱為霍耳負(fù)載電

7、阻負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電輸入電阻阻，或者控制內(nèi)阻。，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為霍耳端子間的電阻，稱為輸出電輸出電阻阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻?；蚧舳鷤?cè)內(nèi)部電阻。 控制電流控制電流或輸入電流或輸入電流:流入到器件內(nèi)的電流。流入到器件內(nèi)的電流。電極電極A、B相應(yīng)地稱為元件相應(yīng)地稱為元件電流端電流端、控制電流端或輸入電流端。、控制電流端或輸入電流端。H圖2.6-4 霍耳器件符號(hào)AAABBBCCCDDD關(guān)于霍耳器件符號(hào)，名稱及型號(hào)，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，為敘述方便起見(jiàn)，暫規(guī)定下列名稱的符號(hào)。 8控制電流控制電流I；霍耳電勢(shì)霍耳電勢(shì)VH；控制電

8、壓控制電壓V；輸出電阻輸出電阻R2；輸入電阻輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流霍耳電流IH。 圖中控制電流圖中控制電流I由電源由電源E供給供給, ,R為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)所保證器件內(nèi)所需控制電流需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載?；舳敵龆私迂?fù)載R3, ,R3可是一般電阻或可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳垂直通過(guò)霍耳器件器件, ,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍爾元件的基本電路霍爾元件的基本電路R實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí), ,器

9、件輸入信號(hào)可以是器件輸入信號(hào)可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出而輸出可以正比于可以正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。9IKBIdRVIHHVKRVBdRVVHH1上兩式是霍爾元件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和上兩式是霍爾元件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和霍耳輸出電勢(shì)完全呈線性關(guān)系。同理，如果輸入電流或電壓中霍耳輸出電勢(shì)完全呈線性關(guān)系。同理，如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢(shì)之間也完全呈線性關(guān)系。任一項(xiàng)固定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢(shì)之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓同樣，若給出控制電壓V V，由于

10、，由于V=RV=R1 1I I，可得控制電壓和霍耳電，可得控制電壓和霍耳電勢(shì)的關(guān)系式勢(shì)的關(guān)系式設(shè)霍耳片厚度設(shè)霍耳片厚度d d均勻，電流均勻，電流I I和霍耳電場(chǎng)的方向分別平行于長(zhǎng)、和霍耳電場(chǎng)的方向分別平行于長(zhǎng)、短邊界，則控制電流短邊界，則控制電流I I和霍耳電勢(shì)和霍耳電勢(shì)V VH H的關(guān)系式的關(guān)系式10（四）、基本特性（四）、基本特性 1、直線性：指霍耳器件的輸出電勢(shì)VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。VH=KHBI 2、靈敏度：可以用元件靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及電流靈敏度、電勢(shì)靈敏度表示：K KH HHallHall元件靈敏度，表示霍耳電勢(shì)元件靈敏度，表示霍耳電勢(shì)V VH H與磁感應(yīng)強(qiáng)

11、與磁感應(yīng)強(qiáng)度度B B和控制電流和控制電流I I乘積之間的比值，乘積之間的比值，mV/(mAmV/(mAKGsKGs) )。因?yàn)椤Ｒ驗(yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來(lái)確定霍耳元件的輸出電壓要由兩個(gè)輸入量的乘積來(lái)確定, ,故又稱為故又稱為乘積靈敏度乘積靈敏度。11KB磁場(chǎng)靈敏度，通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場(chǎng)靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值。常用于磁場(chǎng)測(cè)量等情況。 KI電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值。若控制電流值固定，則：VHKBB若磁場(chǎng)值固定，則：VHKI I123、最大輸出功率 在霍耳電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸出

12、與負(fù)載的大小有關(guān)，當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負(fù)載電阻R3時(shí)，霍耳輸出功率為最大。 22max4/ RVPHO4、最大效率 霍耳器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，和最大輸出對(duì)應(yīng)的效率，稱為最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO5、負(fù)載特性 當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)載時(shí)，因?yàn)榱鬟^(guò)霍耳電流，在霍爾元件上將產(chǎn)生壓降，故實(shí)際霍耳電勢(shì)比理論值小。由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響，霍耳電勢(shì)和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系改變。如圖所示。 138060402000.20.40.60.81.0VH/mV=（空載）（空載）=7.0=1.5=3.0B/T理論值理論值實(shí)際值實(shí)際值VHR3I霍耳電勢(shì)的負(fù)載

13、特性=R3/R2 霍耳電勢(shì)隨負(fù)載電阻值而改變的情況147、溫度特性：指霍耳電勢(shì)或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性。它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率（或電導(dǎo)率）與溫度的關(guān)系。霍耳材料的溫度特征霍耳材料的溫度特征（a）RH與溫度的關(guān)系；（與溫度的關(guān)系；（b）與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0雙重影響雙重影響：元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，影響靈敏度。二者相反。158、頻率特性u(píng)磁場(chǎng)恒定，而通過(guò)傳感器的電流是交變的。磁場(chǎng)恒定

14、，而通過(guò)傳感器的電流是交變的。器件的頻率特性很好，到10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此,霍耳器件可用于微波范圍,其輸出不受頻率影響。 u磁場(chǎng)交變。磁場(chǎng)交變?；舳敵霾粌H與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場(chǎng)作用下，元件與導(dǎo)體一樣會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。 總之，在交變磁場(chǎng)下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí)，可以不考慮頻率對(duì)器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度，選用合適的元件和導(dǎo)磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。 16 造成測(cè)量誤差的主要因素有兩類：造成測(cè)量誤差的主要因素有兩類：半導(dǎo)體固有特性和半導(dǎo)半導(dǎo)

15、體固有特性和半導(dǎo)體制造工藝的缺陷體制造工藝的缺陷。 誤差表現(xiàn)為誤差表現(xiàn)為:零位誤差和溫度誤差零位誤差和溫度誤差。零位誤差：零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為霍爾元件在加控制電流但不加外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位電勢(shì)，又稱為不等位電勢(shì)。主要原因在于霍爾電極不在零位電勢(shì)，又稱為不等位電勢(shì)。主要原因在于霍爾電極不在同一等位面。同一等位面。（五）（五） 霍爾元件的測(cè)量誤差霍爾元件的測(cè)量誤差可采用電橋平衡原理補(bǔ)償?？刹捎秒姌蚱胶庠硌a(bǔ)償。17霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出?；舳?/p>

16、開(kāi)關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。（五）（五） 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器18由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開(kāi)路輸出開(kāi)路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。 1 1霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H19 3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b）應(yīng)用電路）應(yīng)用電路 （a）外型）外型 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感

17、器的外型及應(yīng)用電路霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123202 2霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線 從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。 圖中的BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)： 工作電壓 、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、 輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0 該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳

18、感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 213 3霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用 （1）霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVAC22VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般接口電路霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL23磁鐵軸心接近式 在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo 磁鐵6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵

19、與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí),傳感器開(kāi)關(guān)接通,而磁鐵移開(kāi)到一定距離時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí),如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)作用距離作合適的選擇。 （2）給傳感器施加磁場(chǎng)的方式24 磁鐵側(cè)向滑近式磁鐵側(cè)向滑近式 要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動(dòng)滑近移動(dòng)的方式在傳感器前方通過(guò)。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁鐵磁鐵6.432L

20、2距離距離L2/mm25采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍耳開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)重要方面。除選用磁感應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外，還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖26 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等4.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 271霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 霍耳線性集成傳感器的輸出電

21、壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線性感應(yīng)。因此霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。霍耳線性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。（六）霍耳線性集成傳感器（六）霍耳線性集成傳感器28單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1

22、霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。 雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。292 2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)(1) 傳感器的輸出特性如下圖： 磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3輸輸

23、出出電電壓壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線302 2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)(2) 傳感器的輸出特性如下圖： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24輸輸出出電電壓壓U/V磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B/TSL3501M傳感器的輸出特性曲線00.28 0.32R=0R=15R=100 31（七）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用（七）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用 利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件，不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面，而且在測(cè)量技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。 利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，

24、可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。32 利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)： (1) 體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。 (2)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪聲小。 (3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。 (4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。 (5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。 霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。33測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向電位差計(jì)電位差計(jì)mAE

25、SNR圖圖2.6-24 霍耳磁敏傳感器測(cè)磁原理示意圖霍耳磁敏傳感器測(cè)磁原理示意圖3421材料溫度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070410410410310310310310310表表2.6-2 幾種導(dǎo)體材料在低溫下的性能幾種導(dǎo)體材料在低溫下的性能35 二、磁敏二極管和磁敏三極管二、磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來(lái)的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得

26、到普遍應(yīng)用。 36（一）磁敏二極管（一）磁敏二極管（SMD）的原理和特性）的原理和特性 1 1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 （1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P+iN+型。型。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P P型和型和N N型兩個(gè)區(qū)域，并將較長(zhǎng)的本征區(qū)（型兩個(gè)區(qū)域，并將較長(zhǎng)的本征區(qū)（i i區(qū)）的一個(gè)側(cè)面打毛形成高復(fù)區(qū)）的一個(gè)側(cè)面打毛形成高復(fù)合區(qū)合區(qū)(r(r區(qū)區(qū)) )，而與，而與r r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持

27、為光滑無(wú)復(fù)合表面。區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持為光滑無(wú)復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。37PNPNPNH=0H+H-電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖流過(guò)二極管的電流也在變化，也就是說(shuō)二極管等效電阻隨著磁場(chǎng)的不同而不同。 為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢?下面作一下分析。 （2）磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化，iii電子空穴復(fù)合區(qū)38結(jié)論：結(jié)論：隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化，可產(chǎn)生輸出電流（電壓）的變化、特別是在較弱的磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓

28、。若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在 r區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而流過(guò)二極管的電流（端電壓）不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。 39 2 2磁敏二極管的主要特征磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性 在給定磁場(chǎng)情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過(guò)它的電流的關(guān)系曲線。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-

29、0.3（c） 磁敏二極管伏安特性曲線（a）鍺磁敏二極管（b）、（c）硅二極管-0.1T-0.15T-0.2T00040 由圖可見(jiàn)硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式。一種如圖（b）所示，開(kāi)始在較大偏壓范圍內(nèi)，電流變化比較平坦，隨外加偏壓的增加，電流逐漸增加；此后，伏安特性曲線上升很快，表現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小。另一種如圖2.6-29(c)所示。硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有負(fù)阻現(xiàn)象，即電流急增的同時(shí)，有偏壓突然跌落的現(xiàn)象。 產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻硅的熱平衡載流子較少，且注入的載流子未填滿復(fù)合中心之前，不會(huì)產(chǎn)生較大的電流，當(dāng)填滿復(fù)合中心之后，電流才開(kāi)始急增之故。 41 （2）磁電特性 在給定條件下，

30、磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。 磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個(gè)使用時(shí)（b）互補(bǔ)使用時(shí)B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0 3kREE=12VTd=20a（b）U/VU/V 下圖給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。42 （3）溫度特性 溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化量 （或無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)中點(diǎn)電壓 ）隨溫度變化的規(guī)律，如圖所示

31、。 muuU/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I圖2.6-31 磁敏二極管溫度特性曲線(單個(gè)使用時(shí))U互補(bǔ)：兩只性能互補(bǔ)：兩只性能相近的磁敏二極相近的磁敏二極管按相反磁極性管按相反磁極性組合，并串聯(lián)在組合，并串聯(lián)在電路中。電路中。43由圖可見(jiàn)，磁敏二極管受溫度的影響較大。反映磁敏二極管的溫度特性好壞，也可用溫度系數(shù)來(lái)表示。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，u0的溫度系數(shù)小于20mV， 的溫度系數(shù)小于0.6%/。而鍺磁敏二極管u0的溫度系數(shù)小于-60mV， 的溫度系數(shù)小于1.5%/。所以，規(guī)定硅管的使用溫度為-4085，

32、而鍺管則現(xiàn)定為-4065。 uu44（4）頻率特性 硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間，幾乎等于注入載流子漂移過(guò)程中被復(fù)合并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間。所以，頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于1 ，即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz。sdB0.1-12-9-6-3 01010.01圖2.6-32 鍺磁敏三極管頻率特性f/kHz45（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理 （1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電

33、結(jié)所形成的半導(dǎo)體元圖2.6-33 NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a)結(jié)構(gòu) b)符號(hào)rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件,如圖。最大的特點(diǎn)是基區(qū)很長(zhǎng)，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似于磁敏二極管。也有高復(fù)合區(qū)r。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。i46（2 2）磁敏三極管的工作原理）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-1-運(yùn)輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)1247當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖時(shí)，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部

34、分通過(guò)eib而形成基極電流。顯而易見(jiàn)，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù) =IcIb1。 當(dāng)受到H磁場(chǎng)作用如圖（b）時(shí)，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降。 當(dāng)受 磁場(chǎng)使用如圖(c)時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。 H48/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mA B-=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA磁敏三極管伏安特性曲線2 2磁

35、敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性 （1）伏安特性 圖 (b)給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（Ib=3mA）、磁場(chǎng)為0.1T時(shí)的集電極電流的變化；圖 (a)則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。49（2）磁電特性 磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖2.6-36所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-33BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見(jiàn)，在弱磁場(chǎng)作用時(shí)，曲線近似于一條直線。50 (3)溫度特性 磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的。磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三極管的磁敏三極管的溫

36、度系數(shù)為溫度系數(shù)為0.8；3CCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為磁敏三極管的溫度系數(shù)為- -0 .6。 3BCM的溫度特性曲線如圖所示。的溫度特性曲線如圖所示。 3BCM磁敏三極管的溫度特性(a)基極電源恒壓 (b)基極恒流 (a)-20020401.20.80.4 1.660B=0B=0.1TB=0.1TT/基極電源恒壓Vb=5.7VIC/mA基極恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=0.1TB=0.1TT/ (b)IC/mA可采用晶體管、磁敏二極管和差分電路進(jìn)行補(bǔ)償?？刹捎镁w管、磁敏二極管和差分電路進(jìn)行補(bǔ)償。（4）頻率特性 3BCM鍺磁敏三極管對(duì)于交變磁場(chǎng)的頻率響

37、應(yīng)特性為10kHz10kHz。 51（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用 由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很小，且能識(shí)別磁極性等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。 利用磁敏管可以作成磁場(chǎng)探測(cè)儀器如高斯計(jì)、漏磁測(cè)量?jī)x、地磁測(cè)量?jī)x等。用磁敏管作成的磁場(chǎng)探測(cè)儀，可測(cè)量10-7T左右的弱磁場(chǎng)。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又取決于通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接觸方法來(lái)測(cè)量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，因此是一種備受歡迎的電流表。 此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測(cè)高

38、達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無(wú)觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。52（四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù)（四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù) 3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表型鍺磁敏三極管參數(shù)表%10000ccBcIIIh參 數(shù)單位測(cè)試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B= 0.1T5101015 1520 202525擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基極電流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW 45使用溫度 -4065最高溫度 75mA533CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表型硅磁敏三極管參數(shù)表 A%100

39、00ccBcIIIh參數(shù)單 位測(cè)試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB= 0.1T5%擊穿電壓BUccoVIc=1020V漏電流Icc0Ice=6A5功耗mW 20mW使用溫度 -4085最高溫度 100溫度系數(shù)%/ -0.10-0.25%/A54三、磁敏電阻三、磁敏電阻 是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）（一） 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng)。55 在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子 (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：22000273. 0B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻