磁敏傳感器(品) 課件

目錄第七章7.3

霍爾元件7.4霍爾傳感器7.1

霍爾效應(yīng)7.2

磁阻效應(yīng)7.5

磁敏電阻7.6

磁敏二極管和磁敏三極管目錄第七章7.3霍爾元件7.4霍爾傳感器7.1第七章半導(dǎo)體磁敏傳感器第七章半導(dǎo)體磁敏傳感器2

半導(dǎo)體磁敏傳感器指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器,常用的磁敏傳感器有霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器。此外還有磁敏二極管、磁敏晶體管等。磁敏器件是利用磁場工作的,因此可以通過非接觸方式檢驗。非接觸方式可以保證壽命長、可靠性高。

半導(dǎo)體磁敏傳感器的應(yīng)用十分廣泛。可用于測量磁場，特別是對弱磁場的測量、電流測量、位移等機械量的檢測等。在電流檢測中，作為電流傳感器、變送器的檢測器件；轉(zhuǎn)動角度的測量，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)；微弱磁場的檢測，主要用于偽鈔識別；流量計領(lǐng)域用于電子水表、電子煤氣表、流量計等。半導(dǎo)體磁敏傳感器指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量3磁敏傳感器的基本工作原理

磁敏傳感器的工作原理是基于霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。7.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應(yīng)。

一長為L、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片，被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中（平面與磁場垂直），在與磁場方向正交的兩邊通以控制電流I，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)強度B乘積成正比的電勢UH，且UH＝KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。這種在垂直于電流和磁場的方向上感應(yīng)出電場的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。磁敏傳感器的基本工作原理磁敏傳感器的工作原理是基于47.2磁阻效應(yīng)在半導(dǎo)體上施加磁場時，由于洛倫茲力的作用，載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場同方向的電流分量減小，等價于電阻增大。這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)。當電流和磁場的方向垂直時，稱為橫向磁阻效應(yīng)。若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。橫向比縱向磁阻效應(yīng)大。設(shè)沒有磁場時的電阻率為，施加電場時的電阻率為，則橫向磁阻效應(yīng)的大小可用橫向磁阻系數(shù)來表示：7.3霍爾元件

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電荷受洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。以n型半導(dǎo)體為例，當它通以電流I時，半導(dǎo)體中的電子受到磁場中洛侖茲力FL的作用，其大小為:式中υ為電子速度，B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強度。在FL

的作用下，電子向垂直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端積聚負電荷，另一端面則為正電荷積聚。7.3.1霍爾元件工作原理7.2磁阻效應(yīng)7.3霍爾元件霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電5

電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為:式中EH為霍爾電場，e為電子電量，UH為霍爾電勢。當FL=FE時，電子的積累達到動平衡，即:所以。設(shè)流過霍爾元件的電流為I時，

式中bd為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。則電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子6若是P型半導(dǎo)體霍爾元件，則式中p為單位體積內(nèi)的空穴數(shù)。為方便起見，式中的負號可以不寫。7.3.２霍爾系數(shù)及靈敏度若?。簞t有式中為霍爾系數(shù)

霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料決定。它反映了材料的霍爾效應(yīng)的強弱。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體霍爾效應(yīng)強。

另外定義單位m3.C-1，三次方米每庫侖單位V/A.T(特斯拉）若是P型半導(dǎo)體霍爾元件，則式中p為單位體積內(nèi)的空穴數(shù)。為78由半導(dǎo)體物理知：所以有：霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料決定。它反映了材料的霍爾效應(yīng)的強弱。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體霍爾效應(yīng)強。霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。d愈小，KH

愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。8由半導(dǎo)體物理知：所以有：霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料決定。它反8KH為霍爾元件的靈敏度，這時，霍爾電勢表示為：

KH表示在單位電流，單位磁場作用下，開路的霍爾電勢輸出值。即霍爾元件靈敏度（乘積靈敏度）。它與元件的厚度成反比，降低厚度d，可以提高靈敏度。但在考慮提高靈敏度的同時，必須兼顧元件的強度和內(nèi)阻。

上面討論的是磁場方向與器件平面垂直,即磁感應(yīng)強度B與器件平面法線n平行的情況。在一般情況下,磁感應(yīng)強度B的方向和n有一個夾角θ,這時上式應(yīng)推廣為：7.3.3霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)1．額定功耗P0

霍爾元件在環(huán)境溫度T＝25℃時，允許通過霍爾元件的控制電KH為霍爾元件的靈敏度，這時，霍爾電勢表示為：KH表示9流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型、最大三檔，單位為mw。當供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額功耗可以知道額定控制電流I。有些產(chǎn)品提供額定控制電流和電壓，不給出額定功耗。2．輸入電阻Ri和輸出電阻R0

Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω。可以在室溫下、無磁場即B＝0時，用歐姆表等測量。4．不平衡電勢U0（不等位電勢）在額定控制電流Ic之下，不加磁場時，霍爾電極間的開路電勢差稱為不平衡電勢，單位為mV。它是由于兩個輸出電極不在同一個等位面上造成的。產(chǎn)生的原因主要有材料電阻率的不均勻，基片寬度和厚度不一致及電極與基片間的接觸位置不對稱或接觸不良造成的。不平衡電勢和額定控制電流Ic之比為不平衡電阻r0。3．額定控制電流Ic

霍爾元件在空氣中升溫時所通過的控制電流稱為額定控制電流Ic。流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型105.寄生直流電勢UOD

當不加外磁場，器件通以交流控制電流，這時器件輸出端除出現(xiàn)交流不等位電勢（單位mV)以外，如果還有直流電勢（uV)，則此直流電勢稱為寄生直流電勢UOD。其產(chǎn)生原因是由于控制電流極及霍爾電壓極的觸電阻造成整流效應(yīng)。6、靈敏度KB

在控制電流Ic和單位磁感應(yīng)強度作用下，霍爾元件輸出極開路時的霍爾電壓稱為磁靈敏度。7．霍爾電勢溫度系數(shù)α(專用參數(shù)）在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)α。8．內(nèi)阻溫度系數(shù)β(專用參數(shù)）

霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，輸入電阻只Ri與輸出電阻R0變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)β，一般取不同溫度時的平均值?；魻栐膶Ｓ脜?shù)變化量小，需要用較精密的儀器進行測量。5.寄生直流電勢UOD當不加外磁場，器件通以交流控11表7-1國產(chǎn)典型霍爾元件的性能

表7-1國產(chǎn)典型霍爾元件的性能127.3.4霍爾元件基本電路1.符號通常在電路中，霍爾器件用下圖所示的幾種符號表示。國產(chǎn)元件常用H表示霍爾器件，后面的字母代表元件的材料，例如，HZ－1表示用鍺材料制成的霍爾器件，HT－1表示用銻化銦制成的霍爾器件，后面的數(shù)字代表產(chǎn)品序號。7.3.4霍爾元件基本電路13國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法142.基本電路圖中×表示B指向紙面

右圖示出了霍爾器件的基本電路?？刂齐娏饔呻娫碋供給，R為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小?；魻栞敵龆私迂撦d電阻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，負載上就有電壓輸出。在實際使用時，電流I或磁場B，或者兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于I或B，或者正比于它們的乘積。2.基本電路圖中×表示B指向紙面右圖示出了霍爾器件15連接方式

為得到較大的霍爾輸出，當元件的工作電流為直流時，可把幾個霍爾元件輸出串連起來，但控制電流極應(yīng)并聯(lián)。如下圖所示。R1R2VVE

2H霍爾元件連接圖I（a)個霍爾元件串聯(lián)(b）控制極串聯(lián)是錯的元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電阻也將增大。連接方式為得到較大的霍爾輸出，當元件的工作電流為直流16霍爾元件的輸出信號為mv級，實際使用中采用運算放大器加以放大，元件與放大器集成在同一芯片內(nèi)。如下圖所示?；魻栐妮敵鲂盘枮閙v級，實際使用中采用運算放大器加以放大177.3.5霍爾式傳感器的溫度誤差及其補償r0R0

霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時,霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,采用恒流源供電是個有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響。也可以使用一些溫度補償?shù)姆椒ā?/p>

（一）、采用恒流源提供控制電流

采用恒流源提供恒定的控制電流可以減小溫度誤差，但元件的靈敏度Kh也是溫度的系數(shù)，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在元件控制極并聯(lián)分流電阻R來提高Uh的溫度穩(wěn)定性，如下圖所示

它由恒流源、并聯(lián)電阻和霍爾元件組成。7.3.5霍爾式傳感器的溫度誤差及其補償r0R018令在初始溫時，元件靈敏度系數(shù)為、輸入電阻為，當溫度由變化到，即有時，各參數(shù)變化為：由于溫度為時有在溫度為時有要使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證在和的值為常數(shù)，溫度為和時有

即有：那么：整理得：式中，—霍爾元件輸入電阻的溫度系數(shù)

—靈敏度的溫度系數(shù)令在初始溫時，元件靈敏度系數(shù)為、輸入電阻為，19（二)、合理選擇負載電阻當霍爾元件選定以后，為定值，其值可在產(chǎn)品說明書中查到，選擇適合的補償分流電阻，使由于溫度引起的誤差降至極小。由基本電路，霍爾電壓輸出接負載電阻，則當溫度為

時,上的電壓表示為：

當溫度由變成時，則上的電壓變?yōu)槭街?室溫時霍爾元件輸出電阻；

-霍爾元件溫度系數(shù)；

-霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)霍爾元件的輸出電阻和霍爾電勢都是溫度的函數(shù)（設(shè)正溫度系數(shù)）（二)、合理選擇負載電阻當霍爾元件選定以后，為20要使不受溫度變化影響，即，由上兩式可知整理得：對于一個霍爾元件，的值容易獲得，所以只要使負載電阻滿足上式，就可以實現(xiàn)在輸出回路中對溫度的補償。雖然通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電路來調(diào)整的值。（三）、采用溫度補償元件最常用的溫度補償方法。要使不受溫度變化影響，即，由上兩式可21下圖給出了幾種補償電路的例子。其中圖（a）、（b）、（c）為電壓源輸入，圖（d）為電流源輸入，為電壓源內(nèi)阻；和為熱敏電阻。（a）并聯(lián)補償電路（b）串聯(lián)補償電路（c）串、并聯(lián)補償電路（d）電流源的補償電路利用上圖連接方式的原理在于霍爾系數(shù)隨溫度上升減小，為了維持恒定的霍爾輸出電壓，可適當增加控制電流。

在安裝測量電路時，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者溫度變化一致。下圖給出了幾種補償電路的例子。其中圖（a）、（b）、（c）為22例如對于圖（b）的情況，如果

溫度系數(shù)為負，T

，則選用電阻溫度系數(shù)為負的熱敏電阻。當T

I

。當RT

阻值選用適當，就可使在精度允許范圍內(nèi)保持不變。（四）、霍爾元件不等位電勢的補償

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如下圖所示。控制電極A、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。例如對于圖（b）的情況，如果溫度當T23霍爾元件等效為一個電橋

理想情況下，不等位電勢UM=0，對應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達到平衡的方法都可作為不等位電勢補償方法。1．不等位電勢與控制電流間的關(guān)系（1）在控制電流為直流時，不等位電勢的大小和極性與直流控制電流的大小和方向有關(guān)。（2）在控制電流為交流時，不等位電勢的大小和相位隨交流控制電流而變?；魻栐硐肭闆r下，不等位電勢1．不等位電勢與控制電24（1）圖（a）是不對稱補償電路，在不加磁場時，有調(diào)節(jié)可使

為零。（2）圖中（b）、（c）、（d）為對稱補償電路。2．幾種不等位電勢的補償電路（3）另外，不等位電勢與控制電流之間并非線性關(guān)系，而且還隨溫度而變。（1）圖（a）是不對稱補償電路，在不加磁場時，有調(diào)節(jié)25(a)不對稱補償，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整補償方便，能量損失小，而且在不等位電勢不大時，對輸出霍爾電勢損失小。(b),(c),(d)是對稱電路，在溫度變化時補償?shù)姆€(wěn)定性好。但(c),(d)減小了霍爾元件的輸入電阻，增大了輸入功率，降低了霍爾元件的霍爾電壓輸出，且(c),(d)使元件的輸出電阻增大。

基本補償電路沒有考慮溫度變化的影響。當溫度發(fā)生變化，需要重新進行平衡調(diào)節(jié)。(a)不對稱補償，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整補償方便，能量損失小，而且在267.4霍爾傳感器由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器，也稱為霍爾集成電路。7.4.1霍爾傳感器分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。1.線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。2.開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。

7.4霍爾傳感器7.4.1霍爾傳感器分類霍爾傳感277.4.2線性霍爾傳感器（一）線性型霍爾傳感器的結(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，當外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，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、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。霍耳開關(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外加磁場的線性感應(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、電流等的測量或控制?；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。7.4.2線性霍爾傳感器（一）線性型霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及工作28單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1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三端器件，它的輸出電壓對外加磁場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8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。。.單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件29（二）線性型霍爾傳感器的輸出特性磁感應(yīng)強度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線2.52.01.51.00.50.040.080.120.160.200.24輸出電壓U/V磁感應(yīng)強度B/TSL3501M傳感器的輸出特性曲線00.280.32R=0R=15ΩR=100Ω對正負磁場，傳感器表現(xiàn)出對稱的輸出特性；當磁感應(yīng)強度太大時，輸出有飽和的趨勢。負載電阻對霍爾線性集成傳感器的輸出有一定的影響（二）線性型霍爾傳感器的輸出特性磁感應(yīng)強度B/T5.64.630

（一）開關(guān)型霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理7.4.3開關(guān)霍爾傳感器

由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。霍耳開關(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H（一）開關(guān)型霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理7.4.3開31（1）霍爾元件：在0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出20mV左右的霍爾電壓，當有負載時輸出10mV左右的霍爾電壓。（2）差分放大器：放大器將霍爾電壓UH放大，以便驅(qū)動后一級整形電路。（3）整形電路：一般采用施密特觸發(fā)器，它把經(jīng)差分放大的電壓整形為矩形脈沖，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。（4）輸出管：由一個或兩個三極管組成，采用單管或雙管集電極開路輸出，集電極輸出的優(yōu)點是可以跟很多類型的電路直接連接，使用方便。（5）電源電路：一方面是為了改善霍爾傳感器的溫度性能，另一方面可以大大提高集成霍爾傳感器工作電源電壓的適用范圍。3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路

（a）外型

霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123（1）霍爾元件：在0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出2322．霍耳開關(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，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點“開”的磁感強度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強度。

該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁感強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB02．霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線該曲線反映了外加337.4.4霍爾傳感器的應(yīng)用

按被檢測對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進行檢測和控制。（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量1．電流傳感器由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量7.4.4霍爾傳感器的應(yīng)用按被檢測對象的性質(zhì)可將34霍爾電流傳感器工作原理如上圖所示，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。2．位移測量xIc霍爾電流傳感器工作原理如上圖所示，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將35霍爾位移傳感器可制成如上圖（a）所示的結(jié)構(gòu)，在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾傳感元件，當控制電流IC恒定不變時，霍爾電壓UH與外加磁感應(yīng)強度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數(shù)，如上圖（b)所示，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電壓變化為：

UH=Kx

說明：霍爾電壓與位移量x成線性關(guān)系，其輸出電壓的極性反映了元件位移的方向。積分后，得霍爾位移傳感器可制成如上圖（a）所示的結(jié)構(gòu)，在極性相反、36（二）開關(guān)型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量

開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報警器、自動控制電路等。1．測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)如圖所示，，在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計數(shù)器），若接入頻率計，便可測出轉(zhuǎn)速。如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運動速度。（二）開關(guān)型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量開關(guān)372．各種實用電路開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。下面列舉兩個實用電路加以說明：電路1

防盜報警器如圖所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳感器固定在門框的邊緣上，讓兩者靠近，即門處于關(guān)閉狀態(tài)時，磁鐵靠近霍爾傳感器，輸出端3為低電平，當門被非法撬開時，霍爾傳感器輸出端3為高電平，非門輸出端Y為低電平，繼電器J吸合，Ja閉合，蜂鳴器得電后發(fā)出報警聲音。2．各種實用電路如圖所示，將小磁鐵固定在門的邊緣上，將霍爾傳38電路2

公共汽車門狀態(tài)顯示器使用霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器，例如公共汽車的三個門必須關(guān)閉，司機才可開車。電路如圖所示，三片開關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的三個門框上，在車門適當位置各固定一塊磁鋼，當車門開著時，磁鋼遠離霍爾開關(guān)，輸出端為高電平。若三個門中有一個未關(guān)好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關(guān)好，若三個門都關(guān)好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關(guān)好，司機可放心開車。電路2

公共汽車門狀態(tài)顯示器使用霍爾傳感器，只要再配置一塊397.5磁敏電阻

是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）

磁阻效應(yīng)在半導(dǎo)體上施加磁場時，由于洛倫茲力的作用，載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場同方向的電流分量減小，等價于電阻增大。這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)。當電流和磁場的方向垂直時，稱為橫向磁阻效應(yīng)。若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。橫向比縱向磁阻效應(yīng)大。

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種半導(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：由此可知，磁場一定時遷移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半導(dǎo)體材料），其磁阻效應(yīng)越明顯。7.5磁敏電阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件40Ｂ——為磁感應(yīng)強度；ρ——材料在磁感應(yīng)強度為Ｂ時的電阻率；ρ0

——材料在磁感應(yīng)強度為0時的電阻率；μ——載流子的遷移率。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。InSb磁敏電阻與特性(a)基本結(jié)構(gòu)；(b)電阻與磁場特性曲線

Ｂ——為磁感應(yīng)強度；磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這41

長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，就相當于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。InSb-NiSb共晶元件InSb-NiSb共晶材料的特點是在InSb的晶體中摻雜NiSb，在InSb的結(jié)晶過程中會析出沿著一定方向排列的細長NiSb針狀晶體，如上圖所示。針狀晶體導(dǎo)電性能良好，其直徑為1μm，長度約100μm左右。由于NiSb在InSb中是平行整齊、有規(guī)則排列，所以可將它看作是柵格金屬條，起著短路霍爾電壓的作用，相當于幾何形狀效應(yīng)。長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路42

為了進一步提高磁敏電阻的阻值，往往采用如下圖所示曲折型結(jié)構(gòu)，將曲折元件組成一個差分型元件，這樣可以將磁阻元件阻值在無磁場情況下做到數(shù)百歐姆甚至數(shù)千歐姆。曲折形磁阻元件二、磁阻元件的主要特性1靈敏度特性磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場—電阻特性的斜率。常用K表示，在運算時常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強度時磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。為了進一步提高磁敏電阻的阻值，往往采用如下圖所示曲折432磁場—電阻特性磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強度的增加而增加N級0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500S級B/T在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化15RBR0105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強場下呈直線特性變化00.20.40.60.81.01.21.4B/T(a)S、N級之間電阻特性(b)電阻變化率特性磁阻元件磁場—電阻特性2磁場—電阻特性磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨443電阻—溫度特性下圖是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻—溫度特性曲線，從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。圖中的電阻值在35℃的變化范圍內(nèi)減小1/2。因此，在應(yīng)用時，一般都要涉及溫度補償電路。10384210242106-4002060100溫度/℃電阻變化率%半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線3電阻—溫度特性10384210242106-4002045（三）磁敏電阻的應(yīng)用

轉(zhuǎn)速傳感器-用InSb磁敏電阻的對稱半橋結(jié)構(gòu)形式再加上偏置磁鋼做成，其結(jié)構(gòu)原理如下圖1所示。在齒輪旋轉(zhuǎn)時，其中一個磁敏元件就會被齒輪的齒部覆蓋。而另一磁敏元件則處在齒輪的凹部，從而引起兩個磁敏元件的阻值發(fā)生變化。因此當齒輪轉(zhuǎn)過磁敏元件時，傳感器就會輸出一周期性的正弦信號，如圖2所示。傳感器輸出信號的頻率和相位與齒輪的轉(zhuǎn)速和位置有關(guān)，幅值的大小和齒輪無關(guān)。對此磁敏元件輸出地正弦信號再經(jīng)放大、整形等電路就可以使傳感器輸出較好的方波信號。（三）磁敏電阻的應(yīng)用轉(zhuǎn)速傳感器-用InSb磁敏電阻的46

磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動化、智能機器人、電梯、智能住宅、機床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機保護器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動化、醫(yī)療設(shè)備、機床、遠程抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探礦等。

7.6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）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點，因而正日益得到重視；并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。（一）磁敏二極管（SMD）的原理和特性1．磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度47（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管是電特性隨外部磁場的改變而顯著變化的器件，實際上它是一種電阻隨磁場的大小和方向均改變的結(jié)型二端器件，是利用磁阻效應(yīng)進行磁電轉(zhuǎn)換的。有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。在高純度半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個區(qū)域，并將較長的本征區(qū)（i區(qū)）的一個側(cè)面打毛形成高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(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。（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)48(2)磁敏二極管的工作原理當磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負極即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。磁敏二極管的工作原理示意圖

當磁敏二極管未受到外界磁場作用時，外加如下圖(a)所示的正偏壓，則有大量的空穴從P區(qū)通過I區(qū)進入N區(qū)，同時也有大量電子注入P區(qū)而形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。當磁敏二極管受到如下圖(2)磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理示意圖49(b)所示的外界磁場H+(正向磁場)作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因復(fù)合速度加快而減小。磁場強度越強，電子和空穴受到洛侖茲力就越大，單位時間內(nèi)進入由于r區(qū)而復(fù)合的電子和空穴數(shù)量就越多，載流子減少，外電路的電流越小。當磁敏二極管受到如右圖(c)所示的外界磁場片H-(反向磁場)作用時，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向I區(qū)偏移，由于電子、空穴復(fù)合率明顯變小，則外電路的電流變大。利用磁敏二極管的正向?qū)娏麟S磁場強度的變化而變化的特性即可實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。

磁敏二極管反向偏置時，則在r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因而流過二極管的電流（端電壓）不會因受到磁場作用而有任何改變。(b)所示的外界磁場H+(正向磁場)作用時，則電子和空穴受到502．磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T-0.1T-0.15T-0.2T0磁敏二極管伏安特性曲線（a）鍺磁敏二極管531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40磁敏二極管伏安特性曲線（b）硅二極管

由圖可見：(1)輸出電壓一定，磁場為正時，隨著磁場增加電流減小，表示磁阻增加；磁場為負時，隨著磁場向負方向增加，電流增加，表示磁阻減小。(2)硅磁敏二極管的伏安特性如圖（b）所示，開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)出其動態(tài)電阻比較小。2．磁敏二極管的主要特征213579U/VI/mA00.2T51（2）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間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。

磁敏二極管通常有單只和互補兩種使用方式。它們的磁電特性如下圖所示。從圖可知，單只使用時，正向磁靈敏度大于反向；互補使用時，正、反向磁靈敏度曲線基本對稱，磁場強度增加時，曲線有飽和趨勢，在弱磁場下有較好的線性?；パa：兩只性能相近的磁敏二極管按相反磁極性組合，并串聯(lián)在電路中。（2）磁電特性互補：兩只性能52（3）溫度特性溫度特性是指在標準測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度變化的規(guī)律，如圖所示。從下圖中可以看出元件受溫度影響較大。反映溫度特性的好壞，可用

和溫度系數(shù)來表示。其參數(shù)大小如下頁表所示。ΔU/VT/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二極管溫度特性曲線(單個使用時)ΔU（3）溫度特性ΔU/VT/℃020400.20.40.6053表Ge,Si磁敏二極管的參數(shù)表Ge,Si磁敏二極管的參數(shù)54(4)．磁靈敏度磁敏二極管的磁靈敏度有以下三種定義方法：（1）在恒流條件下，偏壓隨磁場變化，電壓相對磁靈敏度式中：U0——磁場強度為零時，磁敏二極管兩端的電壓；UB——磁場強度為B時，磁敏二極管兩端的電壓。SU的測量電路如下圖所示。

電壓相對磁靈敏度測量電路

(4)．磁靈敏度式中：U0——磁場強度為零時，磁敏二極管兩55（2）在恒壓條件下，偏流隨磁場變化，電流相對靈敏度式中：I0——給定偏壓下，磁場為零時，通過磁敏二極管的電流；IB——給定偏壓下，磁場為B時，流過磁敏二極管的電流。SI的測量電路如下圖所示。電流相對磁靈敏度

（2）在恒壓條件下，偏流隨磁場變化，電流相對靈敏度式56（3）按照標準測試，在給定電源E和負載R的條件下，電壓相對靈敏度和電流相對靈敏度定義為式中：U0、I0—磁場為零時，磁敏二極管兩端的電壓和流過的電流；UB、IB—磁場為B時，磁敏二極管兩端的電壓和流過的電流。測定SRU和SRI的電路如下圖所示。

標準測試方法電路原理圖

（3）按照標準測試，在給定電源E和負載R的條件下，電壓相對573、磁敏二極管的補償技術(shù)

由于磁敏二極管具有隨溫度變化其特性參數(shù)變化較大的缺點，給實際應(yīng)用帶來很大的誤差。為了提高測試精度，必須進行補償處理。常用的補償電路有四種：互補式、差分式、全橋式、熱敏電阻式。①互補式溫度補償電路選用兩只性能相近的磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們的磁敏面相對或背向放置串接在電路中。無論溫度如何變化，其分壓比總保持不變，輸出電壓Um隨溫度變化而始終保持不變，這樣就達到了溫度補償?shù)哪康?。不僅如此，互補電路還能提高磁靈敏度。3、磁敏二極管的補償技術(shù)由于磁敏二極管具有隨溫度變化58

②差分式電路如下圖(c)所示。差分電路不僅能很好地實現(xiàn)溫度補償，提高靈敏度。如果電路不平衡，可適當調(diào)節(jié)電阻R1和R2。③全橋電路全橋電路是將兩個互補電路并聯(lián)而成。和互補電路一樣，其工作點只能選在小電流區(qū)。該電路在給定的磁場下，其輸出電壓是差分電路的兩倍。由于要選擇四只性能相同的磁敏二極管，會給實際使用帶來一些困難。④熱敏電阻補償電路如下圖(e)所示。該電路是利用熱敏電阻隨溫度的變化，而使Rt和D的分壓系數(shù)不變，從而實現(xiàn)溫度補償。熱敏電阻補償電路的成本略低于上述三種溫度補償電路，因此是常被采用的一種溫度補償電路。(d)(c)②差分式電路(d)(c)594、磁敏二極管與其它磁敏器件相比，具有以下特點：(1)靈敏度高磁敏二極管的靈敏度比霍爾元件高幾百甚至上千倍，而且線路簡單，成本低廉，更適合于測量弱磁場。(2)具有正反磁靈敏度這一點是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二極管需互補使用。(3)靈敏度與磁場關(guān)系呈線性的范圍比較窄。這一點不如霍爾元件。4、磁敏二極管與其它磁敏器件相比，具有以下特點：60（二）磁敏三極管的原理和特性1．磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

(1)．鍺磁敏三極管鍺磁敏三極管如圖所示。它是在弱P型準本征半導(dǎo)體上用合金或擴散的方法形成三個區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，與磁敏二極管相似，在長基區(qū)的一個側(cè)面制成一個高復(fù)合面r。NPN型鍺磁敏三極管結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu)；(b)電路符號（二）磁敏三極管的原理和特性(1)．鍺磁敏三極管NPN型61(2)．硅磁敏三極管硅磁敏三極管是用平面工藝制造的，如圖所示。它通常采用N型材料，利用二次硼擴散工藝，分別形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，然后擴磷形成基區(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。硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)

(2)．硅磁敏三極管硅磁敏三極管結(jié)構(gòu)62復(fù)合基區(qū)輸運基區(qū)

當不受磁場作用時，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，因而發(fā)射區(qū)注入的載流子除少部分輸運到集電極c外，大部分通過e—i—b而形成基極電流。顯而易見，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù)=Ic／Ib＜1。2、磁敏三極管的工作原理復(fù)合基區(qū)輸當不受磁場作用時，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度63復(fù)合基區(qū)輸運基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸運基區(qū)

當受到H＋磁場作用時，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流Ic明顯下降。當受H-磁場使用時，載流子在洛侖茲力作用下，向集電區(qū)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流Ic增大。

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。復(fù)合基區(qū)輸復(fù)合基區(qū)輸當受到H＋磁場作用時，由于洛侖茲力作用643．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）、磁場為0.1T時的集電極電流的變化；圖(a)則為不受磁場作用時磁敏三極管的伏安特性曲線。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。3．磁敏三極管的主要特性65(2)磁電特性

磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，是主要特性之一。例如，國產(chǎn)NPN型3BCM（鍺）磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場作用下，曲線接近一條直線，如下圖所示。(2)磁電特性66

(3)溫度特性磁敏三極管對溫度也是敏感的。3ACM、3BCM鍺磁敏三極管的溫度系數(shù)為0.8％／℃；3CCMSi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。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Vbe=0.7VIC/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行補償。(3)溫度特性3BCM磁敏三極管67當溫度從T1上升到T2時，集電極電流IC的溫度靈敏度系數(shù)表達式為式中IC（T0）表示T0＝25℃時的集電極電流。除了用dI表示之外，也可以用磁靈敏度h來表達。當溫度從T1上升到T2時，磁靈敏度h的變化值可用磁靈敏度溫度系數(shù)dh表示為4．磁敏三極管的溫度補償技術(shù)

同磁敏二極管一樣，磁敏三極管的溫度依賴性也較大。若使用硅磁敏三極管，注意到其集電極電流具有負溫度系數(shù)的特點，可采用以下幾種方式進行溫度補償。利用正溫度系數(shù)普通硅三極管進行補償。電路如下圖（a）所示。當溫度從T1上升到T2時，集電極電流IC的溫度靈敏度系數(shù)表達68

具體補償電路如下圖所示。當溫度升高時，V1管集電極電流IC增加．導(dǎo)致Vm管的集電極電流也增加，從而補償了Vm管因溫度升高而導(dǎo)致IC

的下降。ECR1μAmAV1VmReR2

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)的普通硅三極管來補償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。補償電路(a)

具體補償電路如下圖所示。當溫度升高時，V1管集電極電69(2)利用磁敏三極管互補電路。由PNP和NPN磁敏三極管組成互補式補償電路，如圖（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，則互補電路的輸出電壓不隨溫度發(fā)生漂移。(3)采用磁敏二極管補償電路。由于鍺磁敏二極管電流隨溫度上升而增加，可以彌補硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降的問題如圖(c)所示。(4)采用差分補償電路。用兩只磁、電特性一致，而磁場特性相反的磁敏三極管組成差分補償電路,如圖（d）所示。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。溫度補償方法(2)利用磁敏三極管互補電路。由PNP和NPN磁敏三極管組70（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用

利用磁敏管可以作成磁場探測儀器—如高斯計、漏磁測量儀、地磁測量儀等。用磁敏管作成磁場探測儀，可測量10-7T左右的弱磁場。此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無觸點電位器和漏磁探傷儀等。1、磁敏二報管漏磁探傷儀磁敏二極管漏磁探傷儀是利用磁敏二極管可以檢測弱磁場變化的特性而設(shè)計的。原理如圖所示。漏磁探傷儀由激勵線圈、鐵芯、放大器、磁敏二極管探頭等部分構(gòu)成。將待測物(如鋼棒)置于鐵芯之下，并使之不斷轉(zhuǎn)動，在鐵芯、線圈激磁后，鋼棒被磁化。若待測鋼棒沒有損傷的部分在鐵芯之下時，鐵芯和鋼棒被磁化部分構(gòu)成閉合磁路，激勵線圈感應(yīng)的磁通為Φ，此時無泄漏磁通，磁場二極管探頭沒有信號輸出。若鋼棒上的裂紋旋至鐵芯下，裂紋處的泄漏磁通作用于探頭，探頭將泄漏磁通量轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大器放大輸出，根據(jù)指示儀表的示值可以得知待測鐵棒中的缺陷。（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用利用磁敏管可以作成715放大器顯示儀表42315放大器顯示儀表4231漏磁探傷儀原理圖1裂縫；2磁敏管探頭；3鐵芯；4激勵線圈；5被測棒材5放大器顯示儀表42315放大器顯示儀表4231漏磁探傷722．位移測量采用兩個磁敏二極管組成的差動位移傳感器如下圖所示。導(dǎo)磁板放置在兩個磁敏二極管的中間，當導(dǎo)磁板有向右的小位移時，則C2離導(dǎo)磁板的距離減小，C2中磁鐵端面上的B增大，磁敏二極管C2的電阻增加；而磁敏二極管Cl的電阻減小，測量電橋失去平衡。輸出與位移成比例的信號。差動位移傳感器2．位移測量差動位移傳感器73習(xí)題和思考題什么是霍爾效應(yīng)？為什么半導(dǎo)體材料適于作霍爾元件？2、闡述磁敏二極管的工作原理。3、霍爾元件的不等位電勢的概念是什么？產(chǎn)生不等位電勢的主要原因有哪些？如何進行補償？

4、霍爾電動勢與哪些因素有關(guān)？

5、什么是磁阻效應(yīng)，分為哪兩種？6、溫度變化對霍爾元件輸出電勢有什么影響？如何補償？7、闡述磁敏三極管的工作原理。8、分析下圖所示霍耳計數(shù)裝置的工作原理。習(xí)題和思考題什么是霍爾效應(yīng)？為什么半導(dǎo)體材料適于作霍爾元件？74(a)工作示意圖（b）電路圖(a)工作示意圖（b）電路圖75結(jié)束結(jié)束76目錄第七章7.3

霍爾元件7.4霍爾傳感器7.1

霍爾效應(yīng)7.2

磁阻效應(yīng)7.5

磁敏電阻7.6

磁敏二極管和磁敏三極管目錄第七章7.3霍爾元件7.4霍爾傳感器7.77第七章半導(dǎo)體磁敏傳感器第七章半導(dǎo)體磁敏傳感器78

半導(dǎo)體磁敏傳感器指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器,常用的磁敏傳感器有霍爾傳感器和磁敏電阻傳感器。此外還有磁敏二極管、磁敏晶體管等。磁敏器件是利用磁場工作的,因此可以通過非接觸方式檢驗。非接觸方式可以保證壽命長、可靠性高。

半導(dǎo)體磁敏傳感器的應(yīng)用十分廣泛。可用于測量磁場，特別是對弱磁場的測量、電流測量、位移等機械量的檢測等。在電流檢測中，作為電流傳感器、變送器的檢測器件；轉(zhuǎn)動角度的測量，廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)；微弱磁場的檢測，主要用于偽鈔識別；流量計領(lǐng)域用于電子水表、電子煤氣表、流量計等。半導(dǎo)體磁敏傳感器指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量79磁敏傳感器的基本工作原理

磁敏傳感器的工作原理是基于霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。7.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是導(dǎo)電材料中的電流與磁場相互作用而產(chǎn)生電動勢的物理效應(yīng)。

一長為L、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片，被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中（平面與磁場垂直），在與磁場方向正交的兩邊通以控制電流I，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)強度B乘積成正比的電勢UH，且UH＝KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度。這種在垂直于電流和磁場的方向上感應(yīng)出電場的現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。磁敏傳感器的基本工作原理磁敏傳感器的工作原理是基于807.2磁阻效應(yīng)在半導(dǎo)體上施加磁場時，由于洛倫茲力的作用，載流子的漂移方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，致使與外加電場同方向的電流分量減小，等價于電阻增大。這種現(xiàn)象叫磁阻效應(yīng)。當電流和磁場的方向垂直時，稱為橫向磁阻效應(yīng)。若外加磁場與外加電場平行，稱為縱向磁阻效應(yīng)。橫向比縱向磁阻效應(yīng)大。設(shè)沒有磁場時的電阻率為，施加電場時的電阻率為，則橫向磁阻效應(yīng)的大小可用橫向磁阻系數(shù)來表示：7.3霍爾元件

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電荷受洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。以n型半導(dǎo)體為例，當它通以電流I時，半導(dǎo)體中的電子受到磁場中洛侖茲力FL的作用，其大小為:式中υ為電子速度，B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強度。在FL

的作用下，電子向垂直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端積聚負電荷，另一端面則為正電荷積聚。7.3.1霍爾元件工作原理7.2磁阻效應(yīng)7.3霍爾元件霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電81

電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為:式中EH為霍爾電場，e為電子電量，UH為霍爾電勢。當FL=FE時，電子的積累達到動平衡，即:所以。設(shè)流過霍爾元件的電流為I時，

式中bd為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。則電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子82若是P型半導(dǎo)體霍爾元件，則式中p為單位體積內(nèi)的空穴數(shù)。為方便起見，式中的負號可以不寫。7.3.２霍爾系數(shù)及靈敏度若?。簞t有式中為霍爾系數(shù)

霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料決定。它反映了材料的霍爾效應(yīng)的強弱。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體霍爾效應(yīng)強。

另外定義單位m3.C-1，三次方米每庫侖單位V/A.T(特斯拉）若是P型半導(dǎo)體霍爾元件，則式中p為單位體積內(nèi)的空穴數(shù)。為8384由半導(dǎo)體物理知：所以有：霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料決定。它反映了材料的霍爾效應(yīng)的強弱。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少，霍爾效應(yīng)越強，半導(dǎo)體比金屬導(dǎo)體霍爾效應(yīng)強。霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。d愈小，KH

愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。8由半導(dǎo)體物理知：所以有：霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料決定。它反84KH為霍爾元件的靈敏度，這時，霍爾電勢表示為：

KH表示在單位電流，單位磁場作用下，開路的霍爾電勢輸出值。即霍爾元件靈敏度（乘積靈敏度）。它與元件的厚度成反比，降低厚度d，可以提高靈敏度。但在考慮提高靈敏度的同時，必須兼顧元件的強度和內(nèi)阻。

上面討論的是磁場方向與器件平面垂直,即磁感應(yīng)強度B與器件平面法線n平行的情況。在一般情況下,磁感應(yīng)強度B的方向和n有一個夾角θ,這時上式應(yīng)推廣為：7.3.3霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)1．額定功耗P0

霍爾元件在環(huán)境溫度T＝25℃時，允許通過霍爾元件的控制電KH為霍爾元件的靈敏度，這時，霍爾電勢表示為：KH表示85流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型、最大三檔，單位為mw。當供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額功耗可以知道額定控制電流I。有些產(chǎn)品提供額定控制電流和電壓，不給出額定功耗。2．輸入電阻Ri和輸出電阻R0

Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω?？梢栽谑覝叵?、無磁場即B＝0時，用歐姆表等測量。4．不平衡電勢U0（不等位電勢）在額定控制電流Ic之下，不加磁場時，霍爾電極間的開路電勢差稱為不平衡電勢，單位為mV。它是由于兩個輸出電極不在同一個等位面上造成的。產(chǎn)生的原因主要有材料電阻率的不均勻，基片寬度和厚度不一致及電極與基片間的接觸位置不對稱或接觸不良造成的。不平衡電勢和額定控制電流Ic之比為不平衡電阻r0。3．額定控制電流Ic

霍爾元件在空氣中升溫時所通過的控制電流稱為額定控制電流Ic。流I和工作電壓V的乘積即為額定功耗。一般可分為最小、典型865.寄生直流電勢UOD

當不加外磁場，器件通以交流控制電流，這時器件輸出端除出現(xiàn)交流不等位電勢（單位mV)以外，如果還有直流電勢（uV)，則此直流電勢稱為寄生直流電勢UOD。其產(chǎn)生原因是由于控制電流極及霍爾電壓極的觸電阻造成整流效應(yīng)。6、靈敏度KB

在控制電流Ic和單位磁感應(yīng)強度作用下，霍爾元件輸出極開路時的霍爾電壓稱為磁靈敏度。7．霍爾電勢溫度系數(shù)α(專用參數(shù)）在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)α。8．內(nèi)阻溫度系數(shù)β(專用參數(shù)）

霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，輸入電阻只Ri與輸出電阻R0變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)β，一般取不同溫度時的平均值?；魻栐膶Ｓ脜?shù)變化量小，需要用較精密的儀器進行測量。5.寄生直流電勢UOD當不加外磁場，器件通以交流控87表7-1國產(chǎn)典型霍爾元件的性能

表7-1國產(chǎn)典型霍爾元件的性能887.3.4霍爾元件基本電路1.符號通常在電路中，霍爾器件用下圖所示的幾種符號表示。國產(chǎn)元件常用H表示霍爾器件，后面的字母代表元件的材料，例如，HZ－1表示用鍺材料制成的霍爾器件，HT－1表示用銻化銦制成的霍爾器件，后面的數(shù)字代表產(chǎn)品序號。7.3.4霍爾元件基本電路89國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法902.基本電路圖中×表示B指向紙面

右圖示出了霍爾器件的基本電路?？刂齐娏饔呻娫碋供給，R為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小。霍爾輸出端接負載電阻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，負載上就有電壓輸出。在實際使用時，電流I或磁場B，或者兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于I或B，或者正比于它們的乘積。2.基本電路圖中×表示B指向紙面右圖示出了霍爾器件91連接方式

為得到較大的霍爾輸出，當元件的工作電流為直流時，可把幾個霍爾元件輸出串連起來，但控制電流極應(yīng)并聯(lián)。如下圖所示。R1R2VVE

2H霍爾元件連接圖I（a)個霍爾元件串聯(lián)(b）控制極串聯(lián)是錯的元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電阻也將增大。連接方式為得到較大的霍爾輸出，當元件的工作電流為直流92霍爾元件的輸出信號為mv級，實際使用中采用運算放大器加以放大，元件與放大器集成在同一芯片內(nèi)。如下圖所示?；魻栐妮敵鲂盘枮閙v級，實際使用中采用運算放大器加以放大937.3.5霍爾式傳感器的溫度誤差及其補償r0R0

霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的,因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時,霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,采用恒流源供電是個有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響。也可以使用一些溫度補償?shù)姆椒ā?/p>

（一）、采用恒流源提供控制電流

采用恒流源提供恒定的控制電流可以減小溫度誤差，但元件的靈敏度Kh也是溫度的系數(shù)，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在元件控制極并聯(lián)分流電阻R來提高Uh的溫度穩(wěn)定性，如下圖所示

它由恒流源、并聯(lián)電阻和霍爾元件組成。7.3.5霍爾式傳感器的溫度誤差及其補償r0R094令在初始溫時，元件靈敏度系數(shù)為、輸入電阻為，當溫度由變化到，即有時，各參數(shù)變化為：由于溫度為時有在溫度為時有要使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證在和的值為常數(shù)，溫度為和時有

即有：那么：整理得：式中，—霍爾元件輸入電阻的溫度系數(shù)

—靈敏度的溫度系數(shù)令在初始溫時，元件靈敏度系數(shù)為、輸入電阻為，95（二)、合理選擇負載電阻當霍爾元件選定以后，為定值，其值可在產(chǎn)品說明書中查到，選擇適合的補償分流電阻，使由于溫度引起的誤差降至極小。由基本電路，霍爾電壓輸出接負載電阻，則當溫度為

時,上的電壓表示為：

當溫度由變成時，則上的電壓變?yōu)槭街?室溫時霍爾元件輸出電阻；

-霍爾元件溫度系數(shù)；

-霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)霍爾元件的輸出電阻和霍爾電勢都是溫度的函數(shù)（設(shè)正溫度系數(shù)）（二)、合理選擇負載電阻當霍爾元件選定以后，為96要使不受溫度變化影響，即，由上兩式可知整理得：對于一個霍爾元件，的值容易獲得，所以只要使負載電阻滿足上式，就可以實現(xiàn)在輸出回路中對溫度的補償。雖然通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電路來調(diào)整的值。（三）、采用溫度補償元件最常用的溫度補償方法。要使不受溫度變化影響，即，由上兩式可97下圖給出了幾種補償電路的例子。其中圖（a）、（b）、（c）為電壓源輸入，圖（d）為電流源輸入，為電壓源內(nèi)阻；和為熱敏電阻。（a）并聯(lián)補償電路（b）串聯(lián)補償電路（c）串、并聯(lián)補償電路（d）電流源的補償電路利用上圖連接方式的原理在于霍爾系數(shù)隨溫度上升減小，為了維持恒定的霍爾輸出電壓，可適當增加控制電流。

在安裝測量電路時，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者溫度變化一致。下圖給出了幾種補償電路的例子。其中圖（a）、（b）、（c）為98例如對于圖（b）的情況，如果

溫度系數(shù)為負，T

，則選用電阻溫度系數(shù)為負的熱敏電阻。當T

I

。當RT

阻值選用適當，就可使在精度允許范圍內(nèi)保持不變。（四）、霍爾元件不等位電勢的補償

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如下圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。例如對于圖（b）的情況，如果溫度當T99霍爾元件等效為一個電橋

理想情況下，不等位電勢UM=0，對應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達到平衡的方法都可作為不等位電勢補償方法。1．不等位電勢與控制電流間的關(guān)系（1）在控制電流為直流時，不等位電勢的大小和極性與直流控制電流的大小和方向有關(guān)。（2）在控制電流為交流時，不等位電勢的大小和相位隨交流控制電流而變?；魻栐硐肭闆r下，不等位電勢1．不等位電勢與控制電100（1）圖（a）是不對稱補償電路，在不加磁場時，有調(diào)節(jié)可使

為零。（2）圖中（b）、（c）、（d）為對稱補償電路。2．幾種不等位電勢的補償電路（3）另外，不等位電勢與控制電流之間并非線性關(guān)系，而且還隨溫度而變。（1）圖（a）是不對稱補償電路，在不加磁場時，有調(diào)節(jié)101(a)不對稱補償，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整補償方便，能量損失小，而且在不等位電勢不大時，對輸出霍爾電勢損失小。(b),(c),(d)是對稱電路，在溫度變化時補償?shù)姆€(wěn)定性好。但(c),(d)減小了霍爾元件的輸入電阻，增大了輸入功率，降低了霍爾元件的霍爾電壓輸出，且(c),(d)使元件的輸出電阻增大。

基本補償電路沒有考慮溫度變化的影響。當溫度發(fā)生變化，需要重新進行平衡調(diào)節(jié)。(a)不對稱補償，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整補償方便，能量損失小，而且在1027.4霍爾傳感器由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器，也稱為霍爾集成電路。7.4.1霍爾傳感器分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。1.線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。2.開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。

7.4霍爾傳感器7.4.1霍爾傳感器分類霍爾傳感1037.4.2線性霍爾傳感器（一）線性型霍爾傳感器的結(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，當外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，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、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_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外加磁場的線性感應(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、電流等的測量或控制?；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。7.4.2線性霍爾傳感器（一）線性型霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及工作104單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1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三端器件，它的輸出電壓對外加磁場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