第9章 20145012磁敏傳感器

第九章磁敏傳感器2023/2/12023/2/1在各種傳感器中，磁敏傳感器是使用得較早的一種，指南針便是最古老的磁敏傳感器。電流通過線圈時，在線圈周圍產(chǎn)生磁場，若線圈中的磁通量發(fā)生變化，則線圈產(chǎn)生感應電動勢，這就是磁電感應現(xiàn)象。因此線圈是將磁量變成電量的最簡單的磁電轉(zhuǎn)換元件。如果將磁場加到半導體等材料上，材料的電性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是磁電效應。凡是利用磁電效應構成的傳感器稱為磁電式傳感器或磁敏傳感器。2023/2/1磁敏傳感器磁場電能測量原理：半導體材料中的自由電子及空穴隨磁場改變其運動方向結構結型體型磁敏二極管磁敏三極管——霍爾傳感器磁敏電阻——

磁敏傳感器的物理基礎1、磁現(xiàn)象：磁荷不能單獨存在，必須N、S成對存在，并且在閉區(qū)間表面全部磁束進出總和必等于零，即divB=02、磁通(磁感應強度)變化與電動勢的關系：2023/2/12023/2/1霍爾元件一、霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。2023/2/1霍爾元件二、霍爾元件工作原理：

如圖所示N型半導體薄片，于垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場，在薄片左右兩端通以控制電流I。2023/2/1bIdUHfEvflB半導體中的載流子(電子)將沿著與電流I相反的方向運動。由于外磁場B的作用，使電子受到磁場力fL(洛侖茲力)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結果在半導體的后端面上電子積累帶負電，而前端面缺少電子帶正電，在前后斷面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力fE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。2023/2/1分析：2023/2/1式中：-電子濃度

在半導體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場方向)建立電場，稱為霍爾電場EH，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。2023/2/1RH—霍爾系數(shù)，取決于載流子材料的物理性質(zhì)，反映了材料的霍爾效應的強弱。n、RH，故金屬導體不適于制作霍爾元件，而半導體材料遷移率（尤其是N型半導體）大，故RH

。

kH—靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時的霍爾電勢的大?。?/p>

SH表示單位電流、單位磁場作用下，開路的霍爾電勢輸出值。

SH與元件的厚度成反比，d、SH，但考慮提高靈敏度的同時，必須兼顧元件的強度和內(nèi)阻。dr內(nèi)阻

d

—薄片厚度。

UH＝KH

IB2023/2/1討論：任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件;絕緣材料電阻率ρ很大，電子遷移率μ很小，不適用；金屬材料電子濃度n很高，RH很小，UH很小,不適用;半導體材料電阻率ρ較大RH大，非常適于做霍爾元件，半導體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導體（多電子）;由上式可見，厚度d越小，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米(d≈1μm)。2023/2/1注：1、當電流I的方向或磁場的方向改變時，輸出電勢的方向也將改變；但當兩者的方向同時改變時輸出電勢不改變方向。2、如果磁場和薄片法線有θ角，那么：

VH＝KHIBcosθ2023/2/1a)實際結構(mm)；(b)簡化結構外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w電流極霍爾電極R4三、霍爾元件的結構2023/2/1材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦靈敏度低、溫度特性及線性度好靈敏度最高、受溫度影響大2023/2/1霍爾器件符號ACDBHABCDABCD霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線。電流端子A、B稱為器件電流端、控制電流端。端子C、D稱為霍爾端或輸出端。實測中可把I*B作輸入，也可把I或B單獨做輸入；通過霍爾電勢輸出測量結果。2023/2/1四、主要技術參數(shù)及特性（1）額定激勵電流IH——霍爾元件的允許溫升規(guī)定著一個最大控制電流。（2）不平衡電勢U0不等位電勢、零位電勢——IH、B=0、空載霍爾電勢原因：兩個霍爾電極不在同一等位面上材料不均勻、工藝不良（3）輸入電阻Ri、輸出電阻R0Ri——

控制電流電極間的電阻R0——

輸出霍爾電勢電極間的電阻B=0歐姆表2023/2/1（4）基本特性直線性：指霍爾器件的輸出電勢UH分別和基本參數(shù)

I、U、B之間呈線性關系。靈敏度KH：

乘積靈敏度：霍爾元件的輸出電壓要由磁感應強度B和控制電流I的乘積來確定,表示霍爾電勢UH與兩者乘積之間的比值，通常以mV/(mA·0.1T)。UH＝KH

IB2023/2/1KB——磁場靈敏度，通常以額定電流為標準。磁場靈敏度等于霍爾元件通以額定電流時每單位磁感應強度對應的霍爾電勢值。常用于磁場測量等情況。KI——電流靈敏度，電流靈敏度等于霍爾元件在單位磁感應強度下電流對應的霍爾電勢值。若控制電流值固定，則：UH＝KBB若磁場值固定，則：UH＝KII2023/2/1VHR3VBIEIH霍爾器件的基本電路R控制電流I；霍爾電勢VH；控制電壓V；霍爾負載電阻R3；霍爾電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；魻栞敵龆私迂撦dR3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍爾器件。五、基本電路2023/2/1六、霍爾元件的誤差及其補償

產(chǎn)生誤差的原因：一是制作工藝、制作水平的限制。二是外界溫度的影響。（一）零位誤差

1、不等位電勢U0及其補償

B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0為不等位電勢。2023/2/1產(chǎn)生原因：①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上，或激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。2023/2/1產(chǎn)生原因：②半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻，

等電位面歪斜。2023/2/1不等位電勢的補償：不等位電勢可表示為U0=r0IH(r0為不等位電阻)分析不等位電勢時可把霍爾元件等效為一個電橋，不等位電壓相當于橋路初始有不平衡輸出U0≠0，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。2023/2/12023/2/1（二）霍爾元件溫度誤差及補償

霍爾元件是采用半導體材料制成的,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,致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。以下是幾種補償方法：2023/2/11、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻思路：由UH=KHIB可見恒流源I供電可使UH穩(wěn)定，但靈敏度系數(shù)KH=RH/d=ρμ/d也是溫度的函數(shù)：Tρμ，溫度T變化時靈敏度KH也變化。多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，TKH

，可通過減小I保持KH*I不變，抵消溫度造成KH增加的影響。2023/2/11、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻2023/2/1

溫度時，元件靈敏度系數(shù)為,輸入電阻為，溫度為t時，他們分別為，因為因此霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾電勢的溫度系數(shù)確定并聯(lián)電阻的值：2023/2/1溫度為t時溫度時為了使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證2023/2/1將有關式代入可得通常霍爾電勢的溫度系數(shù)遠小于霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)，因此霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾電勢的溫度系數(shù)2023/2/1（一）霍爾式位移傳感器①霍爾元件處于中間位置位移Δx=0時，由于B=0，所以UH=0②霍爾元件右移,Δx>0，合成磁感應強度B向上,B≠0，UH>0③霍爾元件左移，Δx<0，合成磁感應強度B向下,B≠0，UH<0。七、霍爾傳感器的應用2023/2/1磁場梯度越大，靈敏度越高磁場梯度越均勻，輸出線性越好測量范圍：1~2mm2023/2/12、霍爾壓力傳感器工作原理：把壓力先轉(zhuǎn)換成位移，應用霍爾電勢與位移的關系測量壓力。3、霍爾磁極檢測器(圖4.43)工作原理：在控制電流一定的情況下，通過霍爾電壓的極性可判斷磁場的方向，即確定磁鐵磁極?；魻枆毫鞲衅鹘Y構原理

2023/2/14、轉(zhuǎn)速測量永磁體安裝在軸端永磁體安裝在軸側2023/2/15、測量電流測量大直流電流（10kA），霍爾元件測量電流原理：檢測通電導線周圍的磁場導線旁測法簡單、測量精度差、受外界干擾大2023/2/1（2）導線貫穿磁芯法環(huán)形鐵芯集中磁力線，提高電流測量精度由霍爾元件裝配鍵體而成的開關電鍵。工作原理：用磁體作為觸發(fā)媒介，當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。特點：無觸點按鍵開關2023/2/16、霍爾開關按鍵2023/2/1霍爾效應集成電路技術開關信號磁敏傳感器

霍爾開關集成傳感器是利用霍爾效應與集成電路技術結合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關的物理量(測轉(zhuǎn)速、開關控制、判斷NS極性)，并以開關信號形式輸出，分為常開、常閉型兩種。

八、霍爾集成傳感器2023/2/1

由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。1．霍爾開關集成傳感器的結構及工作原理霍爾開關集成傳感器內(nèi)部結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大BT整形地H2023/2/1霍爾開關集成傳感器的原理及工作過程：當有磁場作用在傳感器上時，根據(jù)霍爾效應原理，霍爾元件輸出霍爾電壓VH，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當放大后的VH電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導體管V導通，且具有吸收電流的負載能力，這種狀態(tài)我們稱它為開狀態(tài)。當磁場減弱時，霍爾元件輸出的VH電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值也小于施密特整形電路的“關閉”閾值，施密特整形器再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導體管V截止，這種狀態(tài)我們稱它為關狀態(tài)。這樣，一次磁場強度的變化，就使傳感器完成了一次開關動作。2023/2/1

3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應用電路

（a）外型

霍爾開關集成傳感器的外型及應用電路1232023/2/12、工作特性121086420——

工作點“開”——

釋放點“關”——

磁滯高低，開狀態(tài)低高，關狀態(tài)2023/2/1注：該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關系。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，傳感器處于關狀態(tài)。

霍爾開關集成傳感器的技術參數(shù)：工作電壓、磁感應強度、輸出截止電壓、輸出導通電流、工作溫度、工作點。2023/2/12023/2/1磁阻元件一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎為磁阻效應。（一）磁阻效應

載流導體置于磁場中,除了產(chǎn)生霍爾效應外,導體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運動方向的偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化,起到了加大電阻的作用,磁場越強增大電阻的作用越強。外加磁場使導體(半導體)電阻隨磁場增加而增大的現(xiàn)象稱磁阻效應。2023/2/1磁阻效應方程：溫度恒定、弱磁場、只有電子導電——

磁感應強度為B時的電阻率——

零磁場下的電阻率——

電子遷移率——

磁感應強度式中，電阻率變化電阻率相對變化磁敏電阻：InSb、InAs2023/2/12023/2/12023/2/1磁敏電阻的應用磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等。可用于開關電源、UPS、變頻器、伺服馬達驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡智能化管理、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)療設備、機床、遠程抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探礦等。2023/2/1磁敏二極管

1．磁敏二極管的結構與工作原理

（1）磁敏二極管的結構

磁敏二極管的結構和電路符號(a)結構;(b)電路符號+（b）H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）2023/2/1特點：磁敏二極管的PN結有很長的基區(qū)，大于載流子的擴散長度，基區(qū)是由接近本征半導體的高阻材料構成的。結構：在本征半導體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個側面上，設置粗糙的高復合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側面，保持為光滑無復合表面。這就構成了磁敏二極管的管芯。2023/2/1（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。為什么磁敏二極管會有這種特性呢?下面作一下分析。2023/2/1PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流(a)(b)(c)iii電子孔穴復合區(qū)磁敏二極管的工作原理示意圖磁場H=0：少量電子和空穴在I區(qū)、r區(qū)復合，大部分P區(qū)空穴N區(qū)電子形成電流。正向磁場H+：電子和空穴由于洛侖茲力作用偏向r區(qū)，并在r區(qū)很快復合，I區(qū)載流子減小，電阻增大，電流減小，壓降增加。反向磁場H-：電子和空穴偏向r區(qū)對面，復合減少，I區(qū)載流子增加，電阻減小，電流增加，壓降減小。2023/2/1結論(磁敏二極管工作原理)：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負輸出電壓的變化，特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。磁敏二極管反向偏置時，則在r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。2023/2/1

2．磁敏二極管的主要特性（1）伏安特性

。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

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系曲線。2023/2/1磁敏二極管伏安特性曲線（b）硅二極管531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40

硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式：

一種如圖（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。2023/2/1磁敏二極管伏安特性曲線（c）硅二極管-0.2531I/mA481216U/V-0.100.10.40.30.2-0.30

另一種如圖(c)所示。硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有負阻現(xiàn)象，即電流急增的同時，有偏壓突然跌落的現(xiàn)象。

產(chǎn)生負阻現(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合中心之前，不會產(chǎn)生較大的電流，當填滿復合中心之后，電流才開始急增。2023/2/1（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系，叫做磁敏二極管的磁電特性。具有正反磁靈敏度，這是磁阻元件欠缺的。但正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度，需互補使用。

2023/2/1

磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個使用時B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0ΔU/V

磁敏二極管單個使用時的磁電特性曲線：特點：單個使用時，正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度；2023/2/1

磁敏二極管的磁電特性曲線（b）互補使用時B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V

磁敏二極管互補使用時的磁電特性曲線：特點：互補使用時，正向特性曲線與反向特性曲線基本對稱。磁場強度增加時，曲線有飽和趨勢；但在弱磁場下，曲線有較好的線性。2023/2/1（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（或無磁場作用時中點電壓）隨溫度變化的規(guī)律，如下圖所示：2023/2/1ΔU/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由圖可見，磁敏二極管受溫度的影響較大。2023/2/1（4）磁靈敏度磁敏二極管的三種磁靈敏度：

(a)電壓相對磁靈敏度（Su）:

在恒流條件下，偏壓隨磁場的變化,即：u0—磁場強度為零時，二極管兩端的電壓；uB—磁場強度為B時，二極管兩端的電壓。(b)電流相對磁靈敏度（Si）:

在恒壓條件下，偏流隨磁場的變化,即：2023/2/1I0—磁場強度為零時，通過二極管的電流；IB—磁場強度為B時，通過二極管的電流。2023/2/1(c)

按照標準測試，在給定電壓源E和負載電阻R的條件下，電壓相對磁靈敏度和電流相對磁靈敏度定義如下：特別注意:如果使用磁敏二極管時的情況和元件出廠的測試條件不一致時，應重新測試其靈敏度。(5)

磁敏二極管的溫度補償技術：由于磁敏二極管受溫度的影響較大，在實際應用中會帶來很大的誤差，為了提高測試精度，必須進行補償處理，補償電路有：

互補式、半橋式、全橋式、熱敏電阻式2023/2/12023/2/1磁敏三極管

1．磁敏三極管的結構與原理（1）磁敏三極管的結構

NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導體上，用合金法或擴散法形成三個極——即發(fā)射極、基極、集電極所形成的半導體元件。在長基區(qū)的側面制成一個復合速率很高的高復合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復合基區(qū)兩部分。2023/2/1圖2.6-33NPN型磁敏三極管的結構和符號a)結構b)符號rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i2023/2/1

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，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極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。復合基區(qū)輸運基區(qū)（2）磁敏三極管的工作原理2023/2/1

當受到H＋磁場作用時，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結一側偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降。當受H-磁場使用時，載流子在洛侖茲力作用下，向集電結一側偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。復合基區(qū)輸運基區(qū)復合基區(qū)輸運基區(qū)總結：

磁敏三極管與磁敏二極管的工作原理完全相同，在正向或負向磁場作用下，會引起集電極電流的減少或增加。因此，可用磁場方向控制集電極電流的增加或減少，用磁場的強弱控制集電極電流的變化量。2023/2/12023/2/12．磁敏三極管的主要特性

（1）伏安特性

/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=－0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA圖2.6-35磁敏三極管伏安特性曲線磁敏三極管在基極恒流條件下(Ib=3mA)的集電極電流的變化；磁敏三極管不受磁場作用時磁敏三極管的伏安特性曲線。2023/2/1（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所示:B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3圖2.6-363BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見，在弱磁場作用時，曲線近似于一條直線。2023/2/1（3）磁靈敏度磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度和負向靈敏度兩種。其定義如下：

—受正向磁場B+作用時的集電極電流；

—受反向磁場B-作用時的集電極電流；

—不受磁場作用時，在給定基流情況下的集電極輸出電流。(2.6-32)2023/2/1(4)溫度特性

磁敏三極管對溫度也是敏感的。

圖2.6-373BCM磁敏三極管的溫度特性(a)基極電源