第7章 磁敏傳感器

1、 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 第第5 5章章 磁敏傳感器磁敏傳感器一、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) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。+ +I I+ + + + + + + + + + + +l lb bd d霍耳效應(yīng)原理圖霍耳效應(yīng)原理圖V VH H（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)霍耳片的長(zhǎng)度為設(shè)霍耳片的長(zhǎng)度為l，寬度為，寬度為w，厚度為，厚度為d

2、。又設(shè)電子以均勻。又設(shè)電子以均勻的速度的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛侖茲力洛侖茲力e電子電量電子電量(1.6210- -19C)； v電于運(yùn)動(dòng)速度。電于運(yùn)動(dòng)速度。 同時(shí)，作用于電子的同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力電場(chǎng)力 evBfLbeVeEfHHE/bVvBH/當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)dnevbdjbIdnebIv/pedIBVH/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。于是可改寫成：成反比。于是可改寫成： dIBRVHHHR電流密度電流密度j=nevn nN N型半導(dǎo)體型

3、半導(dǎo)體中的電子濃度中的電子濃度N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定?；舳禂?shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。p pP P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的孔穴濃度中的孔穴濃度型）（型）（PepRNenRHH11 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。故為獲很小。故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。設(shè)設(shè) KH=RH / d KH霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的霍耳器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度物理性質(zhì)和幾何尺寸有

4、關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。和單位控制電流時(shí)霍耳電勢(shì)的大小。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線的方向與霍耳器件的平面法線夾角為夾角為時(shí)，霍耳電時(shí)，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)，輸注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出出霍耳電霍耳電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變勢(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)，方向時(shí)，霍耳電霍耳電勢(shì)并不改變方向。勢(shì)并不改變方向。（三）霍耳磁敏傳感器（霍耳器件）（三）霍耳磁敏傳感器（霍耳器件）霍耳器件片霍耳器件片(a)a)實(shí)際

5、結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)(mm)；(b)(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；(c)(c)等效電路等效電路外形尺寸外形尺寸:6.4:6.43.13.10.2;0.2;有效尺寸：有效尺寸：5.45.42.72.70.20.2d ds sl l（b b）2.12.15.45.42.72.7A AB B0.20.20.50.50.30.3C CD D（a a）w w電流極電流極霍耳電極霍耳電極R R4 4A AB BC CD DR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4（c c） 霍耳輸出端的端子霍耳輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為相應(yīng)地稱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)

6、載,稱為霍耳稱為霍耳負(fù)載電阻負(fù)載電阻或霍耳負(fù)或霍耳負(fù)載。載。 電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電阻輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。，或者控制內(nèi)阻。 霍耳端子間的電阻，稱霍耳端子間的電阻，稱為為輸出電阻輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。阻。 器件電流器件電流(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。 電流端子電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件相應(yīng)地稱為器件電流端電流端、控制電流端或輸、控制電流端或輸入電流端。入電流端。H圖圖2.6-4 霍耳器件符號(hào)霍耳器件符號(hào)AAABBBCCCDDD關(guān)于霍耳器件符號(hào)，名稱關(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)

7、一及型號(hào)，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，為敘述方便起見(jiàn)，規(guī)定，為敘述方便起見(jiàn)，暫規(guī)定下列名稱的符號(hào)。暫規(guī)定下列名稱的符號(hào)。 控制電流控制電流I；霍耳電勢(shì)霍耳電勢(shì)VH；控制電壓控制電壓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)保證器件內(nèi)所需控制電流所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載?；舳敵龆私迂?fù)載R3, ,R3可是一般電阻或放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)大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件垂直通過(guò)霍耳器件, ,在磁場(chǎng)與

8、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霍耳器件的基本電路霍耳器件的基本電路R 實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí), ,器件輸入信號(hào)可以是器件輸入信號(hào)可以是I I或或B B，或者，或者IB,IB,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。（四）、基本特性（四）、基本特性 1、直線性、直線性： 指霍耳器件的輸出電勢(shì)指霍耳器件的輸出電勢(shì)VH分別和基本參數(shù)分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈之間呈線性關(guān)系。線性關(guān)系。V VH H=K=KH HBI BI 2 2、靈敏度、靈敏度： 可以用乘積靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及

9、電流靈敏度、電勢(shì)靈可以用乘積靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及電流靈敏度、電勢(shì)靈敏度表示：敏度表示： K KH H乘積靈敏度，表示霍耳電勢(shì)乘積靈敏度，表示霍耳電勢(shì)V VH H與磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度B B和控制和控制電流電流I I乘積之間的比值，通常以乘積之間的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。 因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來(lái)確定因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來(lái)確定, ,故稱為故稱為乘積靈敏度乘積靈敏度。 KB磁場(chǎng)靈敏度，通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁磁場(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)場(chǎng)靈敏度等于霍耳元件通以額定電

10、流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值。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。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。單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍耳電勢(shì)值。若若控制電流值固定控制電流值固定，則：，則：VHKBB若若磁場(chǎng)值固定磁場(chǎng)值固定，則：，則：VHKI I3 3、額定電流、額定電流：霍耳元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最大控制電流。：霍耳元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最大控制電流。4 4、最大輸出功率、最大輸出功率：在霍耳電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸：在霍耳電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸出與負(fù)載的大小有

11、關(guān)，當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻出與負(fù)載的大小有關(guān)，當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R R2 2等于霍耳負(fù)載電等于霍耳負(fù)載電阻阻R R3 3時(shí)，霍耳輸出功率為最大時(shí)，霍耳輸出功率為最大。 22max4/ RVPHO5 5、最大效率、最大效率：霍耳器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，：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：和最大輸出對(duì)應(yīng)的效率，稱為最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6 6、負(fù)載特性、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，：當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)載時(shí)，因?yàn)榱鬟^(guò)霍耳電流，在其內(nèi)阻上將產(chǎn)生壓降，故實(shí)際霍耳電勢(shì)比理論值小。由于霍在其

12、內(nèi)阻上將產(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)度之間便失去了線性關(guān)系。如圖所示。便失去了線性關(guān)系。如圖所示。 80806060404020200 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0V VH H/mV/mV=7.0=7.0=1.5=1.5=3.0=3.0B B/T/T理論值理論值實(shí)際值實(shí)際值V VH HR R3 3I I霍耳電勢(shì)的負(fù)載特性霍耳電勢(shì)的負(fù)載特性=R=R3 3/R/R2 2 霍耳電勢(shì)隨負(fù)載電阻值而改變的情況霍耳電勢(shì)隨負(fù)載電阻值而改變的情況 7 7、溫度特

13、性、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：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。的關(guān)系?；舳牧系臏囟忍卣骰舳牧系臏囟忍卣鳎╝ a）R RH H與溫度的關(guān)系；（與溫度的關(guān)系；（b b）與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系R RH H/cm/cm2 2/A A-1-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT/0 02 24 46 6/7/710

14、10-3-3cmcmLnAsLnAs2002001501501001005050LnSbLnSbT/0 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。：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。二者相反。8 8、頻率特性、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，而通過(guò)傳感器的電流是交變的。器件的頻率特器件的頻率特性很好，到性很好，到10kHz10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此, ,霍耳霍耳器件可用于微波范圍器件可用于微波范圍, ,其輸出不受頻率影響。其輸出不受頻率影響。 u磁場(chǎng)交變。磁場(chǎng)交變。

15、霍耳輸出不僅與頻率有關(guān)，而且還與器件的電霍耳輸出不僅與頻率有關(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)導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)( (特別是氣隙寬度特別是氣隙寬度) )等有等有關(guān)。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)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)十總之，在交變磁場(chǎng)下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHzkHz時(shí)，可以不考慮時(shí)，可以不考慮頻率對(duì)器件輸出的影響，即使在數(shù)頻率對(duì)器件輸出的影響，即使在數(shù)MHzMHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣時(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

16、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。良好的頻率特性的。 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成霍耳開(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，并以知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出式輸出?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、。霍耳開(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)。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

17、開(kāi)關(guān)集成傳感器霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器 由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)路輸由穩(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。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可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；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可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口?？凇?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)框圖霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出輸出+穩(wěn)壓穩(wěn)壓VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H 3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b

18、）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1232 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從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯B BH H，這對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。這對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。 圖中的圖中的B BOPOP為工作點(diǎn)為工作點(diǎn)“開(kāi)開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，的磁感應(yīng)強(qiáng)度，B BRPRP為釋放點(diǎn)為釋放點(diǎn)“關(guān)關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓霍耳開(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、

19、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)。止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。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V VOUTOUT/V/V1212ONONOFFOFFB BRPRPB BOPOPB BH HB B0 0 該曲線反映了外該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于磁感強(qiáng)度高于B BOPOP時(shí)，時(shí)，輸出電平由高變低，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于B BRPRP時(shí)，輸出電平由低時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)變高，傳感器

20、處于關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)。 3 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 1）霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的接口電路）霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC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VACRL 磁鐵軸心接近式磁鐵軸心接近式 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，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)集成傳感器的霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L L1 1- -B B關(guān)系曲線關(guān)系曲線N NS SAlNiCoAlNiCo 磁鐵磁鐵6.46.432320

21、.100.100.080.080.060.060.040.040.020.020 02.52.55 57.57.5101012.512.5151517.517.52020距離距離L L1 1/mm/mmB B/T/TL L1 1隨磁鐵與傳感器的間隔隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加距離的增加, ,作用在傳感作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí)接近到一定位置時(shí), ,傳感傳感器開(kāi)關(guān)接通器開(kāi)關(guān)接通, ,而磁鐵移開(kāi)而磁鐵移開(kāi)到一定距離時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。到一定距離時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí)應(yīng)用時(shí), ,如果磁鐵已選定如果磁鐵已選定, ,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)

22、合則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)合, ,對(duì)作用距離作合適的選對(duì)作用距離作合適的選擇。擇。 （2）給傳感器施加磁場(chǎng)的方式 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)。的方式在傳感器前方通過(guò)?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器的霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L L2 2-B-B關(guān)系曲線關(guān)系曲線0.100.100.080.080.060.060.040.040.020.020 02.52.55 57.57.5101012.512.5151517.517.52020B

23、/TB/TN NS S空隙空隙2.052.05AlNiCoAlNiCo 磁鐵磁鐵6.46.43232L L2 2距離距離L L2 2/mm/mm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。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。用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。S SN N磁力集中器磁力集中器傳感器傳感器磁鐵磁鐵磁力集中器安裝示意圖磁力集中器安裝示意圖S SN N磁

24、力集中器磁力集中器傳感器傳感器磁鐵磁鐵鐵底盤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SN磁鐵磁鐵磁力集中器磁力集中器傳感器傳感器 帶有磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式示意圖帶有磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式示意圖磁磁感感應(yīng)應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)度度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁鐵與中心線的距離磁鐵與中心線的距離L2/mmB-L2曲線的對(duì)比圖曲線的對(duì)比圖 (a)(a)加磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式加磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式 激勵(lì)磁場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例(b)(b)推拉式推拉式 兩個(gè)磁鐵的兩個(gè)磁鐵的S S極都面對(duì)傳感器，這樣可以得到如圖所示極都面對(duì)傳感器，這樣可以得到如圖所示的較為線性的特性

25、。的較為線性的特性。N N S SS S N N傳感器傳感器圖圖2.6-20 2.6-20 推拉式激勵(lì)磁場(chǎng)示意圖推拉式激勵(lì)磁場(chǎng)示意圖圖圖2.6-21 2.6-21 推拉式推拉式L L1 1-B-B關(guān)系曲線關(guān)系曲線距離距離L L1 1/mm/mmB/TB/T0.050.05-0.05-0.050 0-10-10-5-50 05 510101515-15-15 注注 意：意：磁鐵磁鐵S S極作用于傳感器背面，會(huì)抵消傳感器極作用于傳感器背面，會(huì)抵消傳感器正面磁鐵正面磁鐵S S極的激勵(lì)作用。極的激勵(lì)作用。(c)(c)雙磁鐵滑近式雙磁鐵滑近式 為激勵(lì)傳感器開(kāi)關(guān)的接通，往往把磁鐵的為激勵(lì)傳感器開(kāi)關(guān)的接通，

26、往往把磁鐵的S S極對(duì)著傳感器極對(duì)著傳感器正面，如果在傳感器的背面也設(shè)置一磁鐵，使它的正面，如果在傳感器的背面也設(shè)置一磁鐵，使它的N N極對(duì)著傳極對(duì)著傳感器的背面，就會(huì)獲得大得多的磁場(chǎng)。感器的背面，就會(huì)獲得大得多的磁場(chǎng)。傳感器傳感器滑近滑近S S N N N N S S 圖圖2.6-22 2.6-22 雙磁鐵滑近式結(jié)構(gòu)示意圖雙磁鐵滑近式結(jié)構(gòu)示意圖 (d)(d)翼片遮擋式翼片遮擋式 翼片遮擋方法就是把鐵片放到磁鐵與傳感器之間，使翼片遮擋方法就是把鐵片放到磁鐵與傳感器之間，使磁力線被分流、傍路，遮擋磁場(chǎng)對(duì)傳感器激勵(lì)。當(dāng)磁鐵和磁力線被分流、傍路，遮擋磁場(chǎng)對(duì)傳感器激勵(lì)。當(dāng)磁鐵和傳感器之間無(wú)遮擋時(shí)，傳感

27、器被磁鐵激勵(lì)而導(dǎo)通；當(dāng)翼片傳感器之間無(wú)遮擋時(shí)，傳感器被磁鐵激勵(lì)而導(dǎo)通；當(dāng)翼片轉(zhuǎn)動(dòng)到磁鐵和傳感器之間時(shí)，傳感器被關(guān)斷。轉(zhuǎn)動(dòng)到磁鐵和傳感器之間時(shí)，傳感器被關(guān)斷。圖圖2.6-23 2.6-23 翼片遮擋器的形狀翼片遮擋器的形狀片狀片狀筒狀筒狀 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)、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)等等電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等(e) (e) 偏磁式偏磁式 在傳感器背面放置固定的磁鐵加入偏磁在傳感器背面放置固定的磁鐵加入

28、偏磁，就可以改變，就可以改變傳感器的工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)。例如。將磁鐵的傳感器的工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)。例如。將磁鐵的N N極粘附在傳感極粘附在傳感器的背面，則傳感器在正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)，必須在器的背面，則傳感器在正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)，必須在它的正面施加更強(qiáng)的負(fù)磁場(chǎng)，才能使它關(guān)斷。它的正面施加更強(qiáng)的負(fù)磁場(chǎng)，才能使它關(guān)斷。 4.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 1 1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結(jié)構(gòu)及工作原理 霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(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)外例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件

29、和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)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?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器的輸出調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_(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出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線

30、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?；舳€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出測(cè)量或控制?；舳€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。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單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖2 23 3輸出輸出+ +穩(wěn)壓穩(wěn)壓V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H穩(wěn)壓穩(wěn)壓H H3 3V VCCCC地地4 4輸出輸出輸出輸出1 18 86 67 75 5 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖雙端輸出傳

31、感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出的傳感器是單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通?；茏龀鼍€性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是型產(chǎn)品是SL3501TSL3501T。 雙端輸出的傳感器是雙端輸出的傳感器是一個(gè)一個(gè)8 8腳雙列直插封裝的器腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501MSL

32、3501M。2霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1) 傳感器的輸出特性如下圖：傳感器的輸出特性如下圖： 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B/TB/T5.65.64.64.63.63.62.62.61.61.6-0.3-0.3-0.2-0.2-0.1-0.10 00.10.10.20.20.30.3輸輸出出電電壓壓U/VU/V SL3501T SL3501T傳感器的輸出特性曲線傳感器的輸出特性曲線2 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：傳感器的輸出特性如下圖： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.160.200

33、.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傳感器的輸出特性曲線00.280.32R=0R=15R=100 （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，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。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，可借助利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的于固定

34、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)、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。振動(dòng)計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。 利用霍耳傳感器制作的儀器利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1 1）、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。）、體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。 （2 2）、無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪）、無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪聲小。聲小。 （3 3）、裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。）、

35、裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。 （4 4）、頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可）、頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。應(yīng)用。 （5 5）、霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特）、霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。性好。 霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大霍耳器件也存在轉(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)，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。這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向電位差計(jì)電位差計(jì)mAmAE ES SN NR R圖圖2.6-24 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

36、原理示意圖磁方向圖磁方向圖西西90o東東0o北北南南180o270o 磁通集束器圖中磁通集束器圖中L Li i為集束器為集束器的總長(zhǎng)度，的總長(zhǎng)度，L La a為集束器中部的為集束器中部的空隙距離，霍耳器件磁通密度空隙距離，霍耳器件磁通密度B Ba a比外部磁通密度比外部磁通密度B B0 0約增強(qiáng)約增強(qiáng)L Li i/L/La a倍。倍。 圖為均勻磁場(chǎng)中使用圖為均勻磁場(chǎng)中使用集束器集束器(實(shí)線實(shí)線)和不使用磁和不使用磁集束器集束器(用虛線表示用虛線表示)時(shí)的時(shí)的磁方向圖磁方向圖 E ER RV VH HB B0 0L La aB Ba aL Li i磁通集束器原理圖磁通集束器原理圖21材料材料溫度

37、溫度(K)(K)R RH HInSbInSb787846460.050.052727110110InAsInAs78787.57.50.0090.0096506506.86.8SiSi78781 150.050.050507070410410410310310310310310表表2.6-2 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 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)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（磁靈敏度換元件。它們具

38、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)，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)、控制等因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。方面得到普遍應(yīng)用。 （一）磁敏二極管的工作原理和主要特性（一）磁敏二極管的工作原理和主要特性 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 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。與普通二極管有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。與普通二極管區(qū)別：普通二極管區(qū)別：普通二極管PNPN結(jié)的基區(qū)很短

39、，以避免載流子在基區(qū)結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級(jí)管的里復(fù)合，磁敏二級(jí)管的PNPN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級(jí)管用的。一般鍺磁敏二級(jí)管用=40cm=40cm左右的左右的P P型或型或N N型單晶型單晶做基區(qū)做基區(qū)( (鍺本征半導(dǎo)體的鍺本征半導(dǎo)體的=50cm)=50cm)，在它的兩端有，在它的兩端有P P型和型和N N型鍺，并引出，若型鍺，并引出，若代表長(zhǎng)基區(qū)，則其代表長(zhǎng)基區(qū)，則其PNPN結(jié)實(shí)際上是由結(jié)實(shí)際上是由P P結(jié)和結(jié)和N N結(jié)

40、共同組成。結(jié)共同組成。 以以2ACM1A2ACM1A為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P P+ +iNiN+ +型。型。+ +（b b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)(a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu); (b); (b)電路符號(hào)電路符號(hào)H H+ +H H- -N N+ +區(qū)區(qū)p p+ +區(qū)區(qū)i i區(qū)區(qū)r r區(qū)區(qū)電流電流（a a） 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，并在型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（本征區(qū)（i i）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)合區(qū)(r(r區(qū)區(qū)) )，而與，而與

41、r r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持為光滑無(wú)復(fù)合表區(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。面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。 流過(guò)二極管的電流過(guò)二極管的電流也在變化，也就是流也在變化，也就是說(shuō)二極管等效電阻隨說(shuō)二極管等效電阻隨著磁場(chǎng)的不同而不同。著磁場(chǎng)的不同而不同。 為什么磁敏二極為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢管會(huì)有這種特性呢? ?下面作一下分析。下面作一下分析。 （2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的當(dāng)磁敏二極管的P P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N N區(qū)接電源負(fù)極即外加區(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)

42、的變化，正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化，磁敏二極管的工作原理示意圖磁敏二極管的工作原理示意圖P PN NP PN NP PN NH=0H=0H H+ +H H- -電流電流電流電流電流電流（a a）（b b）（c c）i ii ii i電子電子孔穴孔穴復(fù)合區(qū)復(fù)合區(qū)結(jié)結(jié) 論：論：隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化，隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓。若的磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓。若r r區(qū)和區(qū)和r r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁區(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。敏二極

43、管的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在 r r區(qū)僅流區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。任何改變。 2磁敏二極管的主要特征 （1 1）伏安特性）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)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。它的電流的關(guān)系曲線。- -0.20.22 21 13 35 57 79 9U/U/V VI I/mA/mA0 00 . 20 . 2T T0.15T0.15T0.1T0

44、.1T0.05T0.05T- -0.05T0.05T（a a）5 53 31 1I I/mA/mA4 46 68 81010U U/V/V - -0.30.3 -0.2-0.2 -0.1-0.1 0 0 0.10.1 0.20.2 0.3 0.30 .0 .4 4（b b）5 53 31 1I I/mA/mA4 48 812121616U U/V/V-0.1-0.1 0 00 .0 .1 10 .0 .4 40 .0 .3 30 .0 .2 2-0.3-0.3（c c）圖圖2.6-29 2.6-29 磁敏二極管伏安特性曲線磁敏二極管伏安特性曲線（a a）鍺磁敏二極管（）鍺磁敏二極管（b b）、

45、（）、（c c）硅二極管）硅二極管-0.1T-0.1T-0.15T-0.15T-0.2T-0.2T0 00 00 0 由圖可見(jiàn)硅磁敏二極管的伏安特性有兩種由圖可見(jiàn)硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式。一種如圖形式。一種如圖2.6-292.6-29（b b）所示，開(kāi)始在較大）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。另一種上升很快，表現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小。另一種如圖如圖2.6-29(c)2.6-29(c)所示。硅磁敏二極管的伏安特性所

46、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。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。后，電流才開(kāi)始急增之故。 （2）磁電特性）磁電特性 在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)間的變化在給定條件下，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。

47、關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。 圖圖2.6-30 2.6-30 磁敏二極管的磁電特性曲線磁敏二極管的磁電特性曲線（a a）單個(gè)使用時(shí)（）單個(gè)使用時(shí)（b b）互補(bǔ)使用時(shí)）互補(bǔ)使用時(shí)B / 0.1TB / 0.1T1.01.0 2.02.0 3.03.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.0B / 0.1TB / 0.1T2.02.0- -1.01.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.

48、2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.03k3kR RE EE = 1 2 VE = 1 2 V（18V18V）T Td d=20=20（a a）（b b）U/VU/VU/VU/V 圖圖2.6-302.6-30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。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。 （3 3）溫度特性）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（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）隨溫度變化的規(guī)律，如圖所示。圖所示。 muuU/VU/VT/T/0 020204

49、0400.20.20.40.40.60.60 .0 .8 81.01.0E=6VE=6VB = 0.1TB = 0.1T80806060- -2020I/mAI/mA-5-5-4-4-3-3-2-2-1-1I I圖圖2.6-31 2.6-31 磁敏二極管溫度特性曲線磁敏二極管溫度特性曲線( (單個(gè)使用時(shí)單個(gè)使用時(shí)) )UU 由圖可見(jiàn)，磁敏二極管受溫度的影響由圖可見(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，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，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，u u0 0的溫度系數(shù)小于的溫度系

50、數(shù)小于20mV20mV， 的溫度系數(shù)小于的溫度系數(shù)小于0.6%/0.6%/。而鍺磁敏二極管而鍺磁敏二極管u u0 0的溫度系數(shù)小于的溫度系數(shù)小于-60mV-60mV， 的溫度系數(shù)小于的溫度系數(shù)小于1.5%/1.5%/。所以，所以，規(guī)定硅管的使用溫度為規(guī)定硅管的使用溫度為-40-408585，而鍺，而鍺管則現(xiàn)定為管則現(xiàn)定為-40-406565。 uu（4 4）頻率特性）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，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)頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。間

51、與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于硅管的響應(yīng)時(shí)間小于1 1 ，即響應(yīng)頻率高達(dá)即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz10kHz。sdBdB0.10.1-12-12-9-9-6-6-3-3 0 010101 10.010.01 圖圖2.6-32 2.6-32 鍺磁敏三極管頻率特性鍺磁敏三極管頻率特性f/kHzf/kHz%10000uuuhBu%10000IIIhBi(2.6-26)(2.6-27)（5 5）磁靈敏度）磁靈敏度 磁敏磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法：二極管的磁靈敏度有三種定義方法：（a a）在恒流條件下，）在恒流條件

52、下，偏壓隨磁場(chǎng)而變化的電壓相對(duì)偏壓隨磁場(chǎng)而變化的電壓相對(duì)磁靈敏度（磁靈敏度（huhu），即：），即： u 0u 0磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，二極管兩端的電壓磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，二極管兩端的電壓 u Bu B磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度為B B時(shí)，二極管兩端的電壓。時(shí)，二極管兩端的電壓。 (b)(b)在恒壓條件下，在恒壓條件下，偏流隨磁場(chǎng)變化的電流相對(duì)磁偏流隨磁場(chǎng)變化的電流相對(duì)磁靈敏度（靈敏度（hihi），即：），即： (c)(c)在給定電壓源在給定電壓源E E和負(fù)載電阻和負(fù)載電阻R R的條件下的條件下，電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度定義如下電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度定義如下 應(yīng)特別注意，如果使用磁敏二極管

53、時(shí)的情況應(yīng)特別注意，如果使用磁敏二極管時(shí)的情況和元件出廠的測(cè)試條件不一致時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試其和元件出廠的測(cè)試條件不一致時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試其靈敏度。靈敏度。 %10000uuuhBRu%10000IIIhBRI（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 1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) NPNNPN型磁敏三極管是在弱型磁敏三極管是在弱P P型近本征半導(dǎo)體型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)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)、集電結(jié)所形即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件成的半導(dǎo)體元件,

54、 ,如圖。在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)如圖。在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)合區(qū)r r。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。圖圖2.6-33 NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) b)符號(hào)符號(hào)r rN N+ +N N+ +c ce eH H- -H H+ +P P+ +b bc ce eb ba a）b b）i i（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 N+ +N N+ +c cc cc cy yy yy ye ee ee er rr rr rx xx xx xP P+ +P P+

55、 +P P+ +b bb bb bN N+ +N N+ +N N+ +（a a）（b b）（c c）圖圖2.6-34 2.6-34 磁敏三極管工作原理示意圖磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0; (b)H=H(a)H=0; (b)H=H+ +;(c)H=H;(c)H=H- -1-1-運(yùn)輸基區(qū)；運(yùn)輸基區(qū)；2-2-復(fù)合基區(qū)復(fù)合基區(qū)1 12 2 當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖2.6-34(a)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2.6

56、-34（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2.6-34(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。 H/ /b b=5mA=5mAI Ib b=4mA=4mAI Ib b=3mA=3mAI Ib b=2mA=2mAI Ib b=1mA=1mAI Ib b=0mA=0mAI IC C1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 02 24 46 68 81010V VCECE/V/V/mA/mAV VCECE/V/VI Ib b=3mA B=3mA B- -= =0.1T0.1TI Ib b

57、=3mA B=0=3mA B=0I Ib b=3mA B=3mA B+ +=0.1T=0.1T2 24 46 68 810101.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 0I IC C/mA/mA圖圖2.6-35 2.6-35 磁敏三極管伏安特性曲線磁敏三極管伏安特性曲線2 2磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性 （1 1）伏安特性）伏安特性 圖圖2.6-35(b)2.6-35(b)給出了磁敏三極管在基極恒給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（流條件下（I Ib b=3mA=3mA）、磁場(chǎng)為）、磁場(chǎng)為0.1T0.1T時(shí)的集電極電流的變化；時(shí)的集電極電流的變化；圖圖2.6-3

58、5(a)2.6-35(a)則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。線。 （2 2）磁電特性）磁電特性 磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。性。3BCM3BCM（NPNNPN型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖2.6-2.6-3636所示。所示。由圖可見(jiàn)，在弱磁場(chǎng)作用時(shí)，曲線近似于一條直由圖可見(jiàn)，在弱磁場(chǎng)作用時(shí)，曲線近似于一條直線。線。B B/0.1T/0.1TI Ic/mAc/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.11 15 52 23 34 4-1-1-2-

59、2-3-3 圖圖2.6-36 3BCM2.6-36 3BCM磁敏三極管電磁特性磁敏三極管電磁特性 (3)(3)溫度特性溫度特性 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。3ACM3ACM、3BCM3BCM磁敏三極磁敏三極管的溫度系數(shù)為管的溫度系數(shù)為0.80.8；3CCM3CCM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 .6-0 .6。3BCM的溫度特性曲線如圖的溫度特性曲線如圖2 .6-37所示。所示。 圖圖2.6-37 3BCM2.6-37 3BCM磁敏三極管的溫度特性磁敏三極管的溫度特性(a)(a)基極電源恒壓基極電源恒壓 (b)(b)基極恒流基極恒流 (a) (a)

60、-20-200 0202040401.21.20.80.80.40.41.61.66060B=0B=0B=B=0.1T0.1TB=0.1TB=0.1TT/T/基極電源恒壓基極電源恒壓V Vb b=5.7V=5.7VI IC C/mA/mA基極恒流基極恒流I Ib b=2mA=2mAB=0B=01.21.20.80.80.40.4-20-200 0202040401.61.68080B=B=0.1T0.1TB=0.1TB=0.1TT/T/ (b) (b)I IC C/mA/mA 溫度系數(shù)有兩種：一種是靜態(tài)集電極電流溫度系數(shù)有兩種：一種是靜態(tài)集電極電流Ic0的溫度的溫度系數(shù)；一種是磁靈敏度系數(shù)；一