第7章-磁敏傳感器

1、第7章 磁敏傳感器7.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)霍爾、磁阻、形狀(xngzhun)效應(yīng)7.2 霍爾元件7.3 磁 阻 元 件7.4 磁敏二極管7.5 磁敏三極管7.6 磁敏傳感器的應(yīng)用7/19/20221共一百九十四頁7.1 磁敏傳感器的物理(wl)基礎(chǔ)霍爾、磁阻、形狀效應(yīng)7.1.1 基礎(chǔ)知識在了解和學(xué)習(xí)磁敏傳感器之前,先讓我們回顧以下磁現(xiàn)象及其有關(guān)公式。磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象不同,它的特點之一是磁荷（Magnetic Charge）不能單獨存在(cnzi),必須是N、S成對存在(cnzi)（而電荷則不然,正電荷和負(fù)電荷可以單獨存在(cnzi)）,并且在閉區(qū)間表面全部磁束（磁力線）的進(jìn)出總和必等于零,即

2、div B=0。7/19/20222共一百九十四頁磁感應(yīng)強(qiáng)度、電場強(qiáng)度、力三者的關(guān)系可由公式表示為 該式表示運(yùn)動電荷(dinh)e從電場E受到的力和磁場（磁感應(yīng)強(qiáng)度B）存在時電流ev(v為電荷(dinh)速度)所受到的力,其中第二項稱為洛倫茲力。與這個洛倫茲力相抗衡而產(chǎn)生的相反方向的電動勢就是后面我們將要介紹的霍爾電壓。7/19/20223共一百九十四頁電感L、電流I與它們產(chǎn)生的磁束之間的關(guān)系可表示為 =LI當(dāng)磁束有變化時, 在與其相交的電路(dinl)中將產(chǎn)生的電動勢為7/19/20224共一百九十四頁7.1.2 霍爾效應(yīng)有一如圖7.1所示的半導(dǎo)體薄片,若在它的兩端通以控制電流I,在薄片的垂

3、直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場,則在薄片的另兩側(cè)面會產(chǎn)生與I和B的乘積(chngj)成比例的電動勢UH（霍爾電勢或稱霍爾電壓）。這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)。 7/19/20225共一百九十四頁圖7.1 霍爾效應(yīng)(xioyng)原理圖7/19/20226共一百九十四頁 1879年 霍爾發(fā)現(xiàn)在一個通有電流的導(dǎo)體板上，若垂直于板面施加(shji)一磁場，則板面兩側(cè)會出現(xiàn)微弱電勢差.ldIab+當(dāng)達(dá)到(d do)動態(tài)平衡時：受力分析(方向向下)(方向向上)試驗結(jié)果7/19/20227共一百九十四頁(霍耳系數(shù)(xsh)討論(toln)：用霍耳效應(yīng)測定，電流等區(qū)分半導(dǎo)體材料類型N 型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體+通過

4、測量霍爾系數(shù)可以確定導(dǎo)電體中載流子濃度(濃度隨雜質(zhì)、溫度等變化）7/19/20228共一百九十四頁7.1.3 磁阻效應(yīng)將一載流導(dǎo)體置于外磁場中,除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,其電阻也會隨磁場而變化。這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng),簡稱磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時發(fā)生的一種物理效應(yīng)。當(dāng)溫度恒定時,在弱磁場范圍內(nèi),磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對于只有電子(dinz)參與導(dǎo)電的最簡單的情況,理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為B=0( 1 + 0.273 2 B2 )式中：B磁感應(yīng)強(qiáng)度；電子遷移率；0零磁場下的電阻率；B磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時的電阻率。7/19/20229共一百九十四頁設(shè)電阻率的變化為=B-0,則電阻率的

5、相對變化為 由上式可見,磁場一定,遷移率高的材料(cilio)磁阻效應(yīng)明顯。InSb和InAs等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高,很適合制作各種磁敏電阻元件。7/19/202210共一百九十四頁7.1.4 形狀效應(yīng)磁阻的大小除了與材料有關(guān)外,還和磁敏元件的幾何形狀有關(guān)。在考慮到形狀的影響時,電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)和遷移率的關(guān)系可以近似用下式表示：式中： f (lb) 為形狀效應(yīng)系數(shù)；l為磁敏元件的長度；b為磁敏元件的寬度。這種由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大小變化的現(xiàn)象,叫形狀效應(yīng)。 7/19/202211共一百九十四頁7.2 霍爾元件(yunjin)7.2.1 霍爾元件

6、工作原理(yunl)霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)工作的?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。7/19/202212共一百九十四頁 如圖7.1所示,假設(shè)在N型半導(dǎo)體薄片上通以電流I,那么,半導(dǎo)體中的載流子（電子）將沿著和電流相反的方向運(yùn)動。若在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上加以磁場B,則由于洛倫茲力fL (fL=evB。e： 電子電量(dinling)；v： 電子速度；B： 磁感應(yīng)強(qiáng)度)的作用,電子向一邊偏轉(zhuǎn)（圖中虛線方向）,并使該邊形成電子積累,而另一邊則積累正電荷,于是產(chǎn)生電場。該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn),當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的力fE(fE=eUHl)與洛倫茲力fL相等時,電

7、子的積累便達(dá)到動態(tài)平衡。 7/19/202213共一百九十四頁這時,在薄片兩橫端面(dunmin)之間建立的電場稱為霍爾電場EH,相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢UH,其大小可用下式表示： (7.1)式中：RH霍爾常數(shù)（米3庫侖,即m3C）；I控制電流（安培,即A）；B磁感應(yīng)強(qiáng)度（特斯拉,即T）；d霍爾元件厚度（米,即m）。 令 (伏米2(安韋伯),即Vm2(AWb)(7.2)KH稱為霍爾元件的靈敏度。于是 UH=KHIB (7.3)7/19/202214共一百九十四頁由上式可知,霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B?；魻栐撵`敏度KH是表征對應(yīng)于單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時輸出(shch

8、)霍爾電壓大小的一個重要參數(shù),一般要求它越大越好。 KH與元件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。由于半導(dǎo)體（尤其是N型半導(dǎo)體）的霍爾常數(shù)RH要比金屬的大得多,所以在實際應(yīng)用中,一般都采用N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件。 元件的厚度d對靈敏度的影響也很大,元件越薄,靈敏度就越高。由式（7.3）可見,當(dāng)控制電流的方向或磁場的方向改變時,輸出電勢的方向也將改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時,霍爾電勢極性不變。 7/19/202215共一百九十四頁需要指出的是,在上述公式中,施加在霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場是垂直于薄片的,即磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和霍爾元件的平面法線是一致的。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線成一角度時

9、,作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量（即Bcos）,這時,UH=KHIBcos。7.2.2 霍爾元件結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單,它由霍爾片、引線和殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片,一般采用N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成,見圖7.2。在長邊的兩個端面上(min shn)焊有兩根控制電流端引線（見圖中1,1）,在元件短邊的中間以點的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線（見圖中2,2）。焊接處要求接觸電阻小,且呈純電阻性質(zhì)（歐姆接觸）?；魻柶话阌梅谴判越饘?、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。 7/19/202216共一百九十四頁圖7.2 霍爾元件(yunjin)示意圖7/19/202217共一百

10、九十四頁7.2.3 基本電路通常,在電路中,霍爾元件可用如圖7.3所示的幾種符號表示。標(biāo)注時,國產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件,后面的字母代表元件的材料,數(shù)字代表產(chǎn)品序號。如HZ-1元件,說明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件,說明是用銻化銦材料制成的元件。常用霍爾元件及其參數(shù)見本節(jié)后面的表7.1。 圖7.4示出了霍爾元件的基本電路?？刂齐娏饔呻娫碋供給；R為調(diào)節(jié)電阻,用于調(diào)節(jié)控制電流的大小?；魻栞敵龆私迂?fù)載(fzi)Rf。Rf可以是一般電阻,也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻。在磁場與控制電流的作用下,負(fù)載上就有電壓輸出。在實際使用時,I、B或兩者同時作為信號輸入,而輸出信號則正比于I或B,

11、或正比于兩者的乘積。 7/19/202218共一百九十四頁圖7.3 霍爾元件(yunjin)的符號 7/19/202219共一百九十四頁圖7.4(a) 霍爾元件的基本(jbn)電路 7/19/202220共一百九十四頁圖7.4(b) 3個運(yùn)算(yn sun)放大器構(gòu)成的差動放大器7/19/202221共一百九十四頁建立霍爾效應(yīng)所需的時間很短（約10-1210-14s）,因此控制電流用交流時,頻率(pnl)可以很高（幾千兆赫）。在實際應(yīng)用中,霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下工作,其特性不一樣。究竟應(yīng)用采用哪種方式，要根據(jù)用途來選擇。1. 恒壓工作如圖7.5所示,恒壓工作比恒流工作的性能要差些,只適

12、用于對精度要求不太高的地方。 7/19/202222共一百九十四頁當(dāng)使用SHS210霍爾元件時,工作在1V、1 kGs(1Gs=10-4T)時,輸出電壓為2155mV,偏移電壓為7%（最大）（1.473.85 mV）。無磁場時偏移電壓不變,在弱磁場下工作不利(bl)。偏移電壓可以調(diào)整為零,但與運(yùn)算放大器一樣,并不能去除其漂移成分。在恒壓條件下性能不好的主要原因為霍爾元件輸入電阻隨溫度變化和磁阻效應(yīng)的影響。輸入電阻的溫度系數(shù)因霍爾元件的材料型號而異, GaAs型為0.3%(最大),InSb型為-2%（最大）。 7/19/202223共一百九十四頁圖7.5 恒壓工作(gngzu)的霍爾傳感器電路7

13、/19/202224共一百九十四頁恒壓工作的控制(kngzh)電流為Rsr為霍爾元件的輸入電阻。對GaAs霍爾元件而言,溫度上升則電阻值變大（+0.3%）,控制電流減小。若電阻變化使控制電流變化-0.3%(最大),加上若恒流工作時恒流源自身變化-0.06%,其溫度特性就顯得很不好。對于InSb霍爾元件而言,若恒壓工作時恒壓源自身的溫度系數(shù)為-2%（最大）,與電阻變化的+2%相互抵消,則元件的溫度系數(shù)反而變小。 7/19/202225共一百九十四頁2. 恒流工作為了充分發(fā)揮霍爾傳感器的性能,最好使用恒流源供電,即恒流工作,電路如圖7.6所示。在恒流工作下,沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)(xioy

14、ng)的影響。恒流工作時偏移電壓的穩(wěn)定性比恒壓工作時差些。特別是InSb霍爾元件,由于輸入電阻的溫度系數(shù)大,偏移電壓的影響更為顯著。對電路圖中的THS103A GaAs霍爾元件,在5 mA工作電流、1 kGs下,輸出電壓50120 mA， 此時的偏移電壓為10%（512 mV）。 7/19/202226共一百九十四頁圖7.6 恒流工作(gngzu)的霍爾傳感器電路7/19/202227共一百九十四頁3. 差分放大霍爾元件(yunjin)的輸出電壓一般為數(shù)毫伏到數(shù)百毫伏,需要用放大電路放大其輸出電壓。圖7.7所示為放大電路的一個例子。霍爾元件(yunjin)是四端器件,為了去除同相電壓,需要使用

15、差分放大器。在圖7.7（a）中,使用一個運(yùn)算放大器時,霍爾元件(yunjin)的輸出電阻大于運(yùn)算放大器的輸入電阻,這樣就會產(chǎn)生誤差。圖7.7(b)中使用三個運(yùn)算放大器,則沒有這個問題。 7/19/202228共一百九十四頁圖7.7 霍爾傳感器的測量(cling)電路7/19/202229共一百九十四頁圖7.7 霍爾傳感器的測量(cling)電路7/19/202230共一百九十四頁在圖7.7中,霍爾傳感器的輸出電壓既可以是交流也可以是直流。若只是交流,則可使用圖7.8所示的電路形式(xngsh)。在這種電路中,直流成分被電容隔離。對于圖7.8(a)所示電路,R2的值很大,應(yīng)選用漏電流小的電容。由

16、于C2的漏電流大,而C1幾乎沒有電流,其差表現(xiàn)為偏移電壓。在圖7.8(b)所示電路中,C1和C2的漏電流相等,漏電流的影響被減輕。在圖7.8(c)所示電路中,電容上幾乎沒有直流電壓成分,故漏電流為最小,且放大器的輸入電阻值很大。7/19/202231共一百九十四頁圖7.8 霍爾傳感器的輸出(shch)為交流時的放大電路7/19/202232共一百九十四頁圖7.8 霍爾傳感器的輸出為交流時的放大(fngd)電路7/19/202233共一百九十四頁圖7.8 霍爾傳感器的輸出(shch)為交流時的放大電路7/19/202234共一百九十四頁7.2.4 電磁特性霍爾元件(yunjin)的電磁特性包括控

17、制電流（直流或交流）與輸出之間的關(guān)系,霍爾輸出（恒定或交變）與磁場之間的關(guān)系等。1. H-I特性固定磁場B,在一定溫度下,霍爾輸出電勢UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系（見圖7.9）。直線的斜率稱為控制電流靈敏度,用KI表示。按照定義,控制電流靈敏度KI為 （7.4）由UH=KHIB,可得到KI=KHB (7.5)7/19/202235共一百九十四頁由上式可知,霍爾元件的靈敏度KH越大,控制電流靈敏度也就越大。但靈敏度大的元件,其霍爾輸出并不一定大。這是因為霍爾電勢在B固定時,不但與KH有關(guān),還與控制電流有關(guān)。因此,即使靈敏度不大的元件,如果在較大的控制電流下工作,那么同樣可以得到較大的霍爾輸出。

18、2. UH-B特性固定控制電流,元件的開路霍爾輸出隨磁場的增加(zngji)并不完全呈線性關(guān)系,而有所偏離。通常,霍爾元件工作在0.5Wbm2以下時線性度較好,如圖7.10所示。使用中,若對線性度要求很高時,可采用HZ-4,它的線性偏離一般不大于0.2%。 7/19/202236共一百九十四頁圖7.9 霍爾元件的UH-I特性(txng)曲線7/19/202237共一百九十四頁圖7.10 霍爾元件(yunjin)的UH-B特性曲線 7/19/202238共一百九十四頁7.2.5 誤差分析及誤差補(bǔ)償1. 不等位電勢及其補(bǔ)償不等位電勢是一個主要的零位(ln wi)誤差。由于在制作霍爾元件時,不可能保

19、證將霍爾電極焊在同一等位面上,如圖7.11所示, 因此,當(dāng)控制電流I流過元件時,即使磁場強(qiáng)度B等于零,在霍爾電極上仍有電勢存在,該電勢就稱為不等位電勢。在分析不等位電勢時,我們把霍爾元件等效為一個電橋,如圖7.12所示。電橋臂的四個電阻分別為r1、r2、r3、r4。當(dāng)兩個霍爾電極在同一等位面上時，r1=r2=r3=r4,電橋平衡,這時,輸出電壓Uo等于零。當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上時,如圖7.11所示,因r3增大,r4減小,則電橋失去平衡,因此,輸出電壓Uo就不等于零?；謴?fù)電橋平衡的辦法是減小r2、r3。在制造過程中如確知霍爾電極偏離等位面的方向,就應(yīng)采用機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕元件的方法來減小不

20、等位電勢。7/19/202239共一百九十四頁圖7.11 不等位(dn wi)電勢示意圖 7/19/202240共一百九十四頁圖7.12 霍爾元件(yunjin)的等效電路 7/19/202241共一百九十四頁對已制成的霍爾元件,可以采用外接補(bǔ)償線路進(jìn)行補(bǔ)償。常用(chn yn)的幾種補(bǔ)償線路如圖7.13所示。 7/19/202242共一百九十四頁圖7.13 不等位電勢的幾種(j zhn)補(bǔ)償線路7/19/202243共一百九十四頁2. 溫度誤差及其補(bǔ)償由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會隨溫度的變化(binhu)而發(fā)生變化(binhu),因此,霍爾元件的性能參數(shù)（如內(nèi)阻、霍爾電勢等

21、）對溫度的變化(binhu)也是很靈敏的。 為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件（如砷化銦）或采用恒溫措施外,用恒流源供電往往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。但采用恒流源供電還不能完全解決霍爾電勢的穩(wěn)定性問題,還必須結(jié)合其它補(bǔ)償線路。7/19/202244共一百九十四頁圖7.14所示是一種既簡單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償線路。它是在控制(kngzh)電流極并聯(lián)一個合適的補(bǔ)償電阻r0,這個電阻起分流作用。當(dāng)溫度升高時,霍爾元件的內(nèi)阻迅速增加,所以流過元件的電流減小,而流過補(bǔ)償電阻r0的電流卻增加。這樣,利用元件內(nèi)阻的溫度特性和一個補(bǔ)償

22、電阻,就能自動調(diào)節(jié)流過霍爾元件的電流大小,從而起到補(bǔ)償作用。r0的大小可通過以下的推導(dǎo)求得。7/19/202245共一百九十四頁圖7.14 溫度補(bǔ)償(bchng)電路7/19/202246共一百九十四頁設(shè)在某一基準(zhǔn)溫度T0時有以下(yxi)關(guān)系：I=IH0+ I0 (7.6) (7.7) 式中：I 恒流源輸出電流；IH0 溫度為T0時,霍爾元件的控制電流； I0 溫度為T0時,通過補(bǔ)償電阻的電流；R0 溫度為T0時,霍爾元件的內(nèi)阻；r0 溫度為T0時的補(bǔ)償電阻。當(dāng)溫度升到T時,同理可得 （7.8）7/19/202247共一百九十四頁 式中： R是當(dāng)溫度為T時霍爾元件(yunjin)的內(nèi)阻,R=

23、R0（1+ t）(是霍爾元件的內(nèi)阻溫度系數(shù)；t=T-T0,為相對于基準(zhǔn)溫度的溫差)；r是當(dāng)溫度為T時補(bǔ)償電阻的阻值,r=r0(1+t)(是補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù))。當(dāng)溫度為T0時,霍爾電勢為 UH0=KH0IH0B （7.9）式中,KH0是當(dāng)溫度為T0時霍爾元件的靈敏度。設(shè)KH= KH0（1+t）,當(dāng)溫度為T時,霍爾電勢為 UH=KHIHB=KH0（1+t）IHB (7.10)7/19/202248共一百九十四頁式中： KH是當(dāng)溫度為T時霍爾元件的靈敏度；是霍爾電勢的溫度系數(shù)。如果(rgu)在補(bǔ)償以后,輸出霍爾電勢不隨溫度變化,也就是滿足以下條件： UH=UH0（7.11） 7/19/202249

24、共一百九十四頁說明霍爾電勢的溫度誤差(wch)得到了全補(bǔ)償。即有KH0（1+t）IHB=KH0I H0B于是(1+t)IH= IH 0由式（7.7）和式（7.8）,并將r、R用r0、R0表示,得(7.12)將式（7.12）左邊展開,并略去t2項（溫差t100時,因、很小,故此項很?。?則r0=R0(-)7/19/202250共一百九十四頁因為、比小得多,即,所以式（7.13）可近似為 (7.14)通過上式就可以確定補(bǔ)償電阻r0的大小(dxio)。當(dāng)霍爾元件給定后,霍爾元件的內(nèi)阻溫度系數(shù)和霍爾電勢的溫度系數(shù)可以從元件的參數(shù)表中查到,而元件的內(nèi)阻R0則可以直接測量出來。（注意與書本上的公式(gng

25、sh)之區(qū)別）7/19/202251共一百九十四頁實踐表明,補(bǔ)償后霍爾電勢受溫度的影響極小,且這種補(bǔ)償方法對霍爾元件的其它性能并無影響,只是輸出電壓稍有降低。這顯然(xinrn)是由于流過霍爾元件的控制電流被補(bǔ)償電阻分流的緣故。只要適當(dāng)增大恒流源輸出電流,使通過霍爾元件的電流達(dá)到額定電流,輸出電壓就會不變。表7.1列出了常用霍爾元件的特性參數(shù)。 7/19/202252共一百九十四頁表7.1 常用霍爾元件(yunjin)的特性參數(shù)7/19/202253共一百九十四頁7.3 磁阻元件(yunjin)7.3.1 長方形磁阻元件長方形磁阻元件的結(jié)構(gòu)如圖7.15所示,其長度L大于寬度b,在兩端制成電極,

26、構(gòu)成兩端器件。長方形磁阻元件的工作原理是： 在固體中由于雜質(zhì)原子和晶格振動,阻礙電子運(yùn)動,由于這種阻礙的存在,使電子運(yùn)動速度(sd)可減到零。電子運(yùn)動的軌道如圖7.16所示。不難看出,載流子因為是弧形運(yùn)動,在磁場中走過的路程增加,它們受到阻礙的程度也就增加,從而引起電阻率的增加。7/19/202254共一百九十四頁圖7.15 長方形和高靈敏度元件(yunjin) 7/19/202255共一百九十四頁圖7.16 在電場和磁場互相(h xing)垂直的固體中電子的運(yùn)動 7/19/202256共一百九十四頁7.3.2 科爾賓元件科爾賓（Corbino）元件的結(jié)構(gòu)如圖7.17所示。在圓盤(yun pn

27、)形元件的外圓周邊和中心處,裝上電流電極,將具有這種結(jié)構(gòu)的磁阻元件稱為科爾賓元件。7/19/202257共一百九十四頁圖7.17 科爾賓元件(yunjin)7/19/202258共一百九十四頁科爾賓元件的盤中心部分有一個圓形電極,盤的外沿是一個環(huán)形(hun xn)電極。兩個極間構(gòu)成一個電阻器,電流在兩個電極間流動時,載流子的運(yùn)動路徑會因磁場作用而發(fā)生彎曲使電阻增大。在電流的橫向,電阻是無“頭”無“尾”的,因此霍爾電勢無法建立,有效地消除了霍爾電場的短路影響。由于不存在霍爾電場,電阻會隨磁場有很大的變化。霍爾電勢被全部短路而不在外部出現(xiàn),電場呈放射形,電流在半徑方向形成渦旋形流動。這是可以獲得最

28、大磁阻效應(yīng)的一種形狀。 7/19/202259共一百九十四頁7.3.3 平面電極元件將長方形的Lb減小,磁阻效應(yīng)RR0也就變大,零磁場的電阻R0也變大,但由磁場而引起的阻值的變化量R（R=R- R0 ）不會變大。往往以電壓的變化來作為實際的輸出,而電壓的變化用R與電流的乘積來表示。為了加大磁阻效應(yīng)就要使電阻變大。從原理上講,如果把Lb比值小的元件多個串聯(lián),就能解決問題。盡管這樣的結(jié)構(gòu)較好,但是制作(zhzu)困難,不能實用。7/19/202260共一百九十四頁平面電極元件的結(jié)構(gòu)如圖7.18所示,電極配置成平面狀。這種結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)比在元件的端面上配置電極的結(jié)構(gòu)要稍差一些,但可應(yīng)用鍍膜技術(shù)和光刻

29、技術(shù),在同一塊基片上同時、大量制造這種元件。 通常以研磨或鍍膜的辦法制成InSb（銻化銦）薄膜。使用研磨方法時,是將單晶體研磨成厚度約為10 m的性能良好的元件。不過,要將單晶體研磨成薄片,其技術(shù)難度大。對于真空鍍膜來說,由于(yuy)能獲得小于1 m的薄膜,所以阻值會增加。盡管真空鍍膜的膜比單晶膜的電子遷移率小很多,磁阻效應(yīng)也要小,但是生產(chǎn)效率高,價格低廉。 7/19/202261共一百九十四頁圖7.18 平面電極(dinj)元件 7/19/202262共一百九十四頁7.3.4 InSb-NiSb共晶磁阻元件InSb-NiSb共晶材料的特點是在InSb的晶體中摻雜NiSb,在結(jié)晶(jijng

30、)過程中會析出沿著一定方向排列的細(xì)長NiSb針狀晶體,如圖7.19所示。針狀晶體導(dǎo)電性能良好,其直徑為1 m,長度為100 m左右。由于NiSb在InSb中是平行整齊、有規(guī)則排列,所以可將它看作為柵格金屬條,起著短路霍爾電勢的作用,相當(dāng)于幾何形狀效應(yīng)。它是幾何形狀長寬比Lb=0.2的扁條狀磁阻元件的串聯(lián)元件。圖7.20示出了三種元件的磁阻效應(yīng)情況。其中未摻雜的InSb-NiSb磁阻元件叫D型,摻雜的InSb-NiSb磁阻元件叫L、N型。從圖中可以看出,摻雜磁阻元件靈敏度下降。但從溫度關(guān)系曲線上將會發(fā)現(xiàn),其溫度特性得到了改善。7/19/202263共一百九十四頁圖7.19 InSb-NiSb共晶

31、(n jn)元件 7/19/202264共一百九十四頁圖7.20 三種元件(yunjin)的磁阻效應(yīng)特性 7/19/202265共一百九十四頁7.3.5 曲折形磁阻元件無論是平面電極元件,還是InSb-NiSb共晶(n jn)元件,為了進(jìn)一步提高電阻值,往往采用圖7.21(a)所示的單個曲折形結(jié)構(gòu)。圖7.21(b)是用兩個曲折元件組成一個差動式元件,其優(yōu)點是可將磁阻元件阻值在無磁場情況下做到數(shù)百歐甚至數(shù)千歐。 7/19/202266共一百九十四頁圖7.21 曲折(qzh)形磁阻元件7/19/202267共一百九十四頁7.3.6 磁阻元件的溫度補(bǔ)償用InSb材料制作的磁阻元件,其特性受溫度的影響

32、很大。圖7.22示出了三種溫度特性曲線。圖中符號D、L、N與圖6.20中的相對應(yīng)。由這兩個圖可知,一般磁場靈敏度越大,受溫度的影響也越大。實際使用磁阻元件時,要根據(jù)(gnj)實際情況靈活選擇其類型。當(dāng)元件選定以后,還必須按照用途進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償。用兩個成對的元件組成差動式磁組元件,多用于電位差計。圖7.23中示出了這種情況的溫度補(bǔ)償例子。圖中RM為磁阻元件,r1、r2為溫度補(bǔ)償元件。 7/19/202268共一百九十四頁圖7.22 溫度特性(txng)曲線 7/19/202269共一百九十四頁圖7.23 差動式元件(yunjin)溫度補(bǔ)償法 7/19/202270共一百九十四頁7.4 磁敏二

33、極管7.4.1 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的。磁敏二極管屬于長基區(qū)二極管,是p+-i-n+型,其結(jié)構(gòu)如圖7.24所示。其中i為本征（完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體）或接近(jijn)本征的半導(dǎo)體,其長為L,它比載流子擴(kuò)散長度大數(shù)倍,其兩端分別為高摻雜的區(qū)域 p+、n+。在i區(qū)一側(cè)用擴(kuò)散雜質(zhì)或噴砂的辦法制成的高復(fù)合區(qū)稱r區(qū),與r區(qū)相對的另一側(cè)面保持光滑,為低（或無）復(fù)合面。 7/19/202271共一百九十四頁圖7.24 鍺磁敏二極管結(jié)構(gòu)(jigu)及電路符號 7/19/202272共一百九十四頁7.4.2 磁敏二極管的工作原理對普通二極管,在加上正向偏置電壓U+時,

34、U+=Ui+Up+Un。式中Ui為i區(qū)壓降,Up、Un分別為pi+、in+結(jié)的壓降。若無外界磁場影響,在外電場的作用下,大部分空穴由p+區(qū)向i區(qū)注入,而電子則由n+區(qū)向i區(qū)注入,這就是(jish)人們所說的雙注入長基區(qū)二極管,其注入i區(qū)的空穴和電子數(shù)基本是相等的。由于運(yùn)動的空間“很大”,除少數(shù)載流子在體內(nèi)復(fù)合掉之外,大多數(shù)分別到達(dá)n+和p+區(qū),形成電流,總電流為I=Ip+In。7/19/202273共一百九十四頁而對磁敏二極管,情況就不同了。當(dāng)受到正向磁場作用時,電子和空穴受洛倫茲力作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn),如圖7.25所示。由于r區(qū)是高復(fù)合區(qū),所以進(jìn)入r區(qū)的電子和空穴很快被復(fù)合掉,因而i區(qū)的載流子密度

35、減少,電阻增加,則Ui增加,在兩個結(jié)上的電壓Up、Un則相應(yīng)減少。i區(qū)電阻進(jìn)一步增加,直到穩(wěn)定在某一值上為止。相反,磁場改變方向,電子和空穴將向r區(qū)的對面低（無）復(fù)合區(qū)流動,則使載流子在i區(qū)的復(fù)合減小,再加上載流子繼續(xù)(jx)注入i區(qū),使i區(qū)中載流子密度增加,電阻減小,電流增大。同樣過程進(jìn)行正反饋,使注入載流子數(shù)增加,Ui減少,Up、Un增加,電流增大,直至達(dá)到某一穩(wěn)定值為止。 7/19/202274共一百九十四頁圖7.25 磁敏二極管載流子受磁場影響(yngxing)情況 7/19/202275共一百九十四頁 7.4.3 磁敏二極管的特性1. 電流(dinli)-電壓特性 圖7.26示出了G

36、e磁敏二極管的電流-電壓特性曲線。圖中B=0的曲線表示二極管不加磁場時的情況,B取+或B取-表示磁場的方向不同。從圖中可以看出： 輸出電壓一定,磁場為正時,隨著磁場強(qiáng)度增加,電流減小,表示磁阻增加,磁場為負(fù)時,隨著磁場強(qiáng)度向負(fù)方向增加,電流增加,表示磁阻減小。 同一磁場之下,電流越大,輸出電壓變化量也越大。7/19/202276共一百九十四頁圖7.26 Ge磁敏二極管的伏安(f n)特性曲線 7/19/202277共一百九十四頁圖7.27 Si磁敏二極管的伏安(f n)特性曲線 Si磁敏二極管的電流(dinli)-電壓特性曲線如圖7.27所示。7/19/202278共一百九十四頁2. 磁電特性

37、在給定(i dn)條件下,把磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場的關(guān)系叫做磁敏二極管的磁電特性。圖7.28給出了磁敏二極管的磁電特性曲線。單個使用時,正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度?；パa(bǔ)使用時,正向特性與反向特性曲線基本對稱。磁場強(qiáng)度增加時,曲線有飽和趨勢；在弱磁場下,曲線有很好的線性。 7/19/202279共一百九十四頁圖7.28 磁敏二極管的磁電特性(txng)曲線 7/19/202280共一百九十四頁3. 溫度特性溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,輸出電壓變化量U隨溫度變化的規(guī)律(gul),如圖7.29所示。從圖中可以看出, 元件受溫度影響較大。反映(fnyng)溫度特性的好環(huán),可用U0和U

38、溫度系數(shù)來表示。其參數(shù)大小如表7.2所示。 7/19/202281共一百九十四頁圖7.29 磁敏二極管（單個使用）的溫度(wnd)特性曲線 7/19/202282共一百九十四頁表7.2 Ge、Si磁敏二極管的U0及U溫度(wnd)系數(shù) 7/19/202283共一百九十四頁4. 磁靈敏度磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法。 （1）在恒流條件(tiojin)下,偏壓隨磁場變化,電壓相對磁靈敏度SU為 式中：U0是磁場強(qiáng)度為零時,磁敏二極管兩端的電壓；UB是磁場強(qiáng)度為B時,磁敏二極管兩端的電壓。SU的測量電路如圖7.30所示。7/19/202284共一百九十四頁圖7.30 電壓相對(xingdu)磁

39、靈敏度測量電路 7/19/202285共一百九十四頁（2） 在恒壓條件下,偏流隨磁場變化,電流(dinli)相對磁靈敏度SI為式中：I0是給定偏壓下,磁場為零時,通過磁敏二極管的電流；IB是給定偏壓下,磁場為B時,通過磁敏二極管的電流。SI的測量電路如圖7.31所示。 7/19/202286共一百九十四頁圖7.31 電流(dinli)相對磁靈敏度測量電路 7/19/202287共一百九十四頁 （3） 按照標(biāo)準(zhǔn)測試,在給定電源E和負(fù)載電阻R的條件(tiojin)下,電壓相對磁靈敏度和電流相對磁靈敏度被定義為式中：U0、I0是磁場為零時,磁敏二極管兩端的電壓和流過的電流；UB、IB是磁場為B時,磁

40、敏二極管兩端的電壓和通過的電流。測定SRU和SRI的電路如圖7.32所示。7/19/202288共一百九十四頁圖7.32 標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)測試方法電路原理圖 7/19/202289共一百九十四頁7.4.4 磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)1. 互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路如圖7.33(a)所示。使用該電路時,應(yīng)選用特性相近的兩只管子,按相反(xingfn)磁極性組合,即管子磁敏感面相對或相背重疊放置,或選用磁敏對管,將兩只管子串接在電路上。2. 熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路如圖7.33(b)所示。 7/19/202290共一百九十四頁圖7.33 溫度補(bǔ)償(bchng)電路 7/19

41、/202291共一百九十四頁7.5 磁敏三極管7.5.1 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)1. Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)及電路符號如圖7.34所示。它是在弱P型準(zhǔn)本征半導(dǎo)體上用(shn yn)合金法或擴(kuò)散法形成三個極。有發(fā)射極e,基極b,集電極c。相當(dāng)于在磁敏二極管長基區(qū)的一個側(cè)面制成一個高復(fù)合區(qū)r。7/19/202292共一百九十四頁圖7.34(a) NPN型Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)(jigu)和電路符號 7/19/202293共一百九十四頁2. Si磁敏三極管Si磁敏三極管是用平面工藝制造的,其結(jié)構(gòu)如圖7.35所示。它一般采用N型材料,通過二次硼擴(kuò)散工藝,分別形成(xngchng)發(fā)射區(qū)和集電

42、區(qū),然后擴(kuò)磷形成(xngchng)基區(qū)而制成PNP型磁敏三極管。由于工藝上的原因,很少制造NPN型磁敏三極管。 7/19/202294共一百九十四頁磁敏三極管也是以長基區(qū)為主要(zhyo)特征,以鍺管為例,其結(jié)構(gòu)示意和工作原理圖7.34（b）鍺磁敏三極管結(jié)構(gòu)(jigu)和原理7/19/202295共一百九十四頁圖7.35 Si磁敏三極管的結(jié)構(gòu)(jigu)7/19/202296共一百九十四頁7.5.2 磁敏三極管的工作原理如圖7.36（a）所示,當(dāng)不受磁場作用時,由于磁敏三極管基區(qū)長度大于載流子有效擴(kuò)散長度,因此發(fā)射區(qū)注入載流子除少部分輸入到集電極c外,大部分通過e-i-b,形成基極電流。由此可

43、見,基極電流大于集電極電流,所以電流放大倍數(shù)=IcIb1。如圖7.36(b)所示,當(dāng)受到H+磁場作用時,由于受洛倫茲力影響,載流子向發(fā)射區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)(pinzhun),從而使集電極電流Ic明顯下降。當(dāng)受到H-磁場作用時,如圖7.36(c)所示,載流子受洛倫茲力影響,向集電區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn),使集電極電流Ic增大。 7/19/202297共一百九十四頁圖7.36 磁敏三極管工作(gngzu)原理示意圖7/19/202298共一百九十四頁6.5.3 磁敏三極管的特性1. 伏安特性圖7.37示出了磁敏三極管的伏安特性曲線。圖7.37（a）為無磁場作用時的伏安特性；圖7.37（b）為在恒流條件下,Ib=3 mA

44、,磁場為正、負(fù)1kGs時集電極電流(dinli)Ic的變化情況。 7/19/202299共一百九十四頁圖7.37 磁敏三極管的伏安(f n)特性曲線 7/19/2022100共一百九十四頁NPN型Ge磁敏三極管（3BCM磁敏三極管）的磁電特性曲線如圖6.38所示。從圖中可見,在弱磁場情況下,3BCM磁敏三極管的磁電特性接近(jijn)線性變化。NPN型Ge磁敏三極管（3BCM磁敏三極管）的磁電特性曲線如圖7.38所示。從圖中可見,在弱磁場情況下,3BCM磁敏三極管的磁電特性接近線性變化。 7/19/2022101共一百九十四頁圖7.38 3BCM磁敏三極管的磁電特性(txng) 7/19/20

45、22102共一百九十四頁3. 溫度特性3BCM磁敏三極管的溫度特性曲線(qxin)如圖7.39所示。圖7.39（a）為基極恒壓時的溫度特性曲線(qxin),圖7.39(b)為基極恒流時的溫度特性曲線(qxin)。當(dāng)溫度從T1升到T2時,集電極電流Ic的溫度靈敏度系數(shù)表達(dá)式為式中,Ic (T0)表示T0=25 時的集電極電流。7/19/2022103共一百九十四頁圖7.39 3 BCM磁敏三極管的溫度(wnd)特性7/19/2022104共一百九十四頁除了用dI表示之外,也可以用磁靈敏度h來表達(dá)。當(dāng)溫度從T1升到T2時,磁靈敏度h的變化值可用磁靈敏度溫度系數(shù)表示為6.5.4 溫度補(bǔ)償技術(shù)同磁敏二

46、極管一樣,磁敏三極管的溫度依賴性也較大。若使用Si磁敏三極管,注意到其集電極電流具有負(fù)溫度系數(shù)的特點,可采用以下(yxi)幾種方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。1. 利用正溫度系數(shù)普通硅三極管進(jìn)行補(bǔ)償其電路如圖7.40(a)所示。7/19/2022105共一百九十四頁圖7.40 溫度補(bǔ)償(bchng)電路 7/19/2022106共一百九十四頁2. 利用磁敏三極管互補(bǔ)電路由PNP和NPN型磁敏三極管組成的互補(bǔ)式補(bǔ)償電路如圖7.40(b)所示。如果圖中兩種磁敏三極管集電極溫度特性完全一樣,則互補(bǔ)電路的輸出電壓(diny)不隨溫度發(fā)生漂移。3. 采用磁敏二極管補(bǔ)償電路由于Ge磁敏二極管的電流隨溫度升高而增加,利用

47、這一特性可將其作為Ge磁敏三極管負(fù)載以補(bǔ)償輸出電壓的漂移,如圖6.40(c)所示。4. 采用差分補(bǔ)償電路用兩只磁、電等特性一致,而磁場特性相反的磁敏三極管組成差分補(bǔ)償電路。這種補(bǔ)償方法可提高磁靈敏度。其電路如圖7.40(d)所示。 7/19/2022107共一百九十四頁6.6 磁敏傳感器的應(yīng)用(yngyng)6.6.1 霍爾元件(yunjin)的應(yīng)用1. 霍爾位移傳感器如圖7.41(a),在極性相反、磁場強(qiáng)度相同的兩個磁鋼的氣隙中放置一個霍爾元件。當(dāng)元件的控制電流I恒定不變時,霍爾電勢UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dBdx為一常數(shù)（見圖7.40(b)）,則當(dāng)霍爾

48、元件沿x方向移動時,霍爾電勢的變化為7/19/2022108共一百九十四頁式中,k是位移傳感器的輸出靈敏度。將上式積分后得 UH=kx式(7.16)說明,霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系?；魻栯妱莸臉O性反映了元件位移的方向。磁場梯度越大,靈敏度越高；磁場梯度越均勻,輸出線性度越好。當(dāng)x=0,即元件位于(wiy)磁場中間位置上時,UH=0。這是由于元件在此位置受到方向相反、大小相等的磁通作用的結(jié)果?；魻栁灰苽鞲衅饕话憧捎脕頊y量12mm的小位移。其特點是慣性小,響應(yīng)速度快,無接觸測量。利用這一原理還可以測量其它非電量,如力、壓力、壓差、液位、加速度等。 7/19/2022109共一百九十四頁圖7.41

49、霍爾位移(wiy)傳感器的磁路結(jié)構(gòu)示意圖 (a) 磁路結(jié)構(gòu)；（b） 磁場變化 7/19/2022110共一百九十四頁2. 霍爾磁極檢測器使用霍爾元件可以很方便(fngbin)地制作檢查磁鐵N極、S極的磁極檢測器。磁極檢測器的電路如圖7.43所示。電路中使用了輸出電壓大的InSb霍爾元件H1。H1在恒壓條件下工作,電阻R1(330)是限流電阻,發(fā)光二極管是電流指示燈。在霍爾元件中流過的電流Ic為 式中：Ucc為電源電壓；ULED為發(fā)光二極管的正向電壓；RH為霍爾元件的電阻。圖中選用的霍爾元件的RH=300 ,使Ic約為100 mA。 7/19/2022111共一百九十四頁圖7.43 磁極(cj)

50、檢測器電路 7/19/2022112共一百九十四頁霍爾電壓UH由運(yùn)算放大器A1和A2放大100倍,N極、S極可用滿刻度為0.2的模擬表指示。當(dāng)然，使用在調(diào)諧器中所用的調(diào)諧指示比較方便。被測磁鐵很大時,表針可能會超過指示范圍,為此要加上二極管V1和V2,將加在表上的電壓限制在0.60.7 V。為了保證表頭上流過0.2mA的電流,取R3=3k。由于有二極管V1和V2的限流作用,R2可取2k,流過二極管的最大電流約有4 mA。該檢測器使用簡便,當(dāng)用它靠近被測磁鐵,表針就會指示出極性。電路圖中的Rw用于調(diào)整霍爾傳感器的偏移電壓。沒有磁鐵靠近時,表針應(yīng)處在中心(zhngxn)位置,改變Rw,便可達(dá)到零點

51、調(diào)整。7/19/2022113共一百九十四頁H1是由先鋒公司精密生產(chǎn)的InSb霍爾元件,霍爾電壓130300 mV（12 mA,1 kGs)，非一致性35 mV%,輸入電阻150600 ,最大工作電流20 mA。4. 霍爾轉(zhuǎn)速測量儀利用霍爾效應(yīng)測量轉(zhuǎn)速有兩種可行的方案(fng n),分別如圖7.44(a)和6.44(b)所示。圖7.44(a) 中將永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸端；圖7.44(b)中是將永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸側(cè)?；魻栐胖糜诖朋w的氣隙中,當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時,霍爾元件輸出的電壓則包含有軸轉(zhuǎn)速的信息。將霍爾元件輸出電壓經(jīng)處理電路處理后,便可求得轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。 7/19/2022114共一百九十四頁

52、 圖7.44 利用霍爾效應(yīng)(xioyng)測量轉(zhuǎn)速的方案（a） 永磁體安裝在軸端；（b）永磁體安裝在軸側(cè)7/19/2022115共一百九十四頁霍爾轉(zhuǎn)速表原理(yunl) 當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形(zhng xng)后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。7/19/2022116共一百九十四頁霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變(gibin)而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測

53、物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵7/19/2022117共一百九十四頁霍爾轉(zhuǎn)速(zhun s)傳感器霍爾轉(zhuǎn)速(zhun s)傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾傳感器（a） （b） 7/19/2022118共一百九十四頁7/19/2022119共一百九十四頁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 a端通入電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1VH2。如果霍爾元件在初始位置(wi zhi)時VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(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。7/19/2022

54、120共一百九十四頁霍爾式壓力(yl)傳感器 霍爾壓力(yl)傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管N SS N7/19/2022121共一百九十四頁角位移測量儀 角位移測量儀的結(jié)構(gòu)如圖所示?；魻柶骷c被測物連動，而霍爾器件又在一個(y )恒定的磁場中轉(zhuǎn)動，于是霍爾電勢 就反應(yīng)了轉(zhuǎn)角 變化。7/19/2022122共一百九十四頁霍爾計數(shù)(j sh)裝置霍爾計數(shù)(j sh)裝置及電路(a)工作示意圖霍爾開關(guān)傳感器絕緣板磁鐵NS( b) 電路圖 +12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計數(shù)器7/19/2022123共一百九十四頁汽車(qch)霍爾電子點火器電路R6DW1R7V1

55、+12VCR5D1R4R3R1R2磁鋼R8D2DW2HV2V3當(dāng)霍爾傳感器輸出(shch)低電平時，V1截止，V2、V3導(dǎo)通，點火器的初級繞組有恒定的電流通過；當(dāng)霍爾傳感器輸出高電平時，V1導(dǎo)通， V2、V3 截止，點火器的初級繞組電流截止，此時儲存在點火線圈中的能量由初級繞組以高壓放電的形式輸出，即放電點火。7/19/2022124共一百九十四頁5. 用霍爾元件測量電流(dinli)用霍爾元件測量工程上的大直流電流,往往具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、準(zhǔn)確度高等諸多優(yōu)點。常用的測量方法有： 旁測法；貫串法；繞線法等。1） 旁測法旁測法是一種較簡單的方法,其測量方案如圖7.45所示。將霍爾元件放置在通

56、電導(dǎo)線附近,給霍爾元件加上控制電流,被測電流產(chǎn)生的磁場將使霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾輸出電壓,從而可得到被測電流的大小。該法只適宜于那些要求不很高的測量場合。7/19/2022125共一百九十四頁2） 貫串法貫串法是一種較實用的方法,其測量方案如圖7.46所示。該法是把鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵心,使被測通電導(dǎo)線貫串它的中央,將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導(dǎo)體的氣隙中,于是(ysh),可通過環(huán)形鐵心來集中磁力線。當(dāng)被測導(dǎo)線中有電流流過時,在導(dǎo)線周圍就會產(chǎn)生磁場,使導(dǎo)磁體鐵心磁化成一個暫時性磁鐵,在環(huán)形氣隙中就會形成一個磁場。通電導(dǎo)線中的電流越大,氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng),霍爾元件輸出的霍爾電壓UH就

57、越高,根據(jù)霍爾電壓的大小,就可以得到通電導(dǎo)線中電流的大小。該法具有較高的測量精度。 7/19/2022126共一百九十四頁圖7.45 旁測法 7/19/2022127共一百九十四頁圖7.46 貫串(gunchun)法 7/19/2022128共一百九十四頁霍爾電流(dinli)傳感器演示鐵心(ti xn) 線性霍爾IC EH=KH IB 7/19/2022129共一百九十四頁霍爾鉗形電流表（交直流兩用(lin yn)）壓舌豁口(huku)7/19/2022130共一百九十四頁結(jié)合實際應(yīng)用(yngyng),還可把導(dǎo)磁鐵心做成如圖7.47所示的鉗式形狀或非閉合磁路形狀等。7/19/2022131共

58、一百九十四頁 圖7.47 貫串(gunchun)法的兩種形式（a） 鉗式；（b） 非閉合磁路式 7/19/2022132共一百九十四頁3） 繞線法 磁心繞線法是又一種測量方案,其原理如圖7.48所示。它是用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形導(dǎo)磁鐵心與霍爾集成傳感器組合而成。把被測通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵心上,據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料報道,若霍爾傳感器選用SL3501M,則每1安1匝在氣隙處可產(chǎn)生0.0056 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)。若測量范圍是020A,則被測通電導(dǎo)線繞制9匝,便可產(chǎn)生約00.1 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)。此時, SL3501M會產(chǎn)生約1.4 V的電壓輸出。 7/19/2022133共一百九十四頁圖7.48

59、繞線法 7/19/2022134共一百九十四頁6. 霍爾開關(guān)按鍵霍爾開關(guān)按鍵是由霍爾元件裝配鍵體而成的開關(guān)電鍵。霍爾電路用磁體作為觸發(fā)媒介,當(dāng)磁體接近霍爾電路時,產(chǎn)生一個電平信號,霍爾按鍵就是依靠改變磁體的相對位置來觸發(fā)電信號的?；魻栭_關(guān)是一個無觸點的按鍵開關(guān)?；魻栯娐肪哂?jyu)一定的磁回差特性,在按下按鍵過程中,即使手指有所抖動,也不會影響輸出電平的狀態(tài)。按鍵的輸出電平由集成元件的輸出級提供,電平的建立時間極短。因此,霍爾按鍵是一個無觸點、無抖動、高可靠、長壽命的按鍵開關(guān)。南京半導(dǎo)體器件總廠生產(chǎn)的HKJ系列霍爾開關(guān)按鍵已有7種型號,每種型號內(nèi)又各有6個品種,如直鍵、斜鍵、彈簧式發(fā)光鍵、插

60、片式發(fā)光鍵及帶控制端的按鍵等。 7/19/2022135共一百九十四頁霍爾式接近(jijn)開關(guān) 用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是(dnsh)它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合磁場。 在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。 7/19/2022136共一百九十四頁廣泛用于計算機(jī)的各種輸入鍵盤,各種控制設(shè)備中的控制鍵盤,各種面板上的按鍵開關(guān),手動脈沖發(fā)生器等。其技術(shù)性能指標(biāo)為：電鍵按力50g、120 g、300 g；按鍵全行程50.5