第6章 磁敏式傳感器原理與應(yīng)用

第6章磁敏式傳感器原理與應(yīng)用6.1霍爾傳感器16.2集成霍爾傳感器6.3磁敏電阻器36.4磁敏二極管和磁敏三極管426.5磁敏式傳感器的應(yīng)用51概述磁敏式傳感器都是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成。按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類。體型的有霍爾傳感器，其主要材料InSb(銻化銦)、InAs（砷化銦）、Ge（鍺）、Si、GaAs等和磁敏電阻InSb、InAs。結(jié)型的有磁敏二極管Ge、Si，磁敏三極管Si應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。26.1霍爾傳感器6.1.1霍爾效應(yīng)3圖7-1霍爾效應(yīng)UHbldIFLFEvB6.1.1霍爾效應(yīng)6.1霍爾傳感器4所以，霍爾電壓UH可表示為

UH=EHb=vBb

(7-3)設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流I時

FL=qvB

(7-1)當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有

qEH=qvB故霍爾電場的強度為

EH=vB

（7-2）6.1霍爾傳感器5流過霍爾元件的電流為

I=dQ/dt=bdvnq得：

v=I/nqbd

(7-4)

所以：

UH=BI/nqd

若取

RH=1/nq

則

RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強弱。

6.1霍爾傳感器6設(shè)KH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小.單位是V/（A·T）6.1霍爾傳感器7材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷移率來表征，即在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。即所以而比較得或6.1霍爾傳感器8結(jié)論：①如果是P型半導(dǎo)體，其載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得②霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。6.1霍爾傳感器9④霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關(guān)。6.1.2霍爾元件的構(gòu)造及測量電路

基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。霍爾元件越薄(d越小)，kH就越大。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。6.1霍爾傳感器101、構(gòu)造6.1霍爾傳感器11霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中點對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極。6.1霍爾傳感器122、測量電路W1W2UHUH~（a）基本測量電路WUHRLE（b）直流供電輸出方式（c）交流供電輸出方式6.1霍爾傳感器136.1.3霍爾元件的技術(shù)參數(shù)1、額定功耗P0在環(huán)境溫度25℃時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。2、輸入電阻Ri和輸出電阻RORi是指控制電極之間的電阻值。R0指霍爾元件輸出電極間的電阻。Ri

、R0可以在無磁場時用歐姆表等測量。6.1霍爾傳感器144、霍爾溫度系數(shù)α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。即：3、不平衡電勢U0在額定控制電流I下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。6.1霍爾傳感器155、內(nèi)阻溫度系數(shù)β霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。即：6、靈敏度或：減小d;選好的半導(dǎo)體材料6.1霍爾傳感器16霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)6.1霍爾傳感器176.1.4霍爾元件的測量誤差和補償1、零位誤差及補償方法圖7-4不等位電勢圖7-5霍爾元件的等效電路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R46.1霍爾傳感器18幾種常用補償方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B6.1霍爾傳感器192、溫度誤差及補償(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進行補償（a）基本電路（b）等效電路

EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)6.1霍爾傳感器20元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：則霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：由圖7-7可知：

6.1霍爾傳感器21對上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達式：6.1霍爾傳感器22即：由上式可看出，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使

當(dāng)元件的α、β及內(nèi)阻Ri0確定后，溫度補償電阻R便可求出。在實際應(yīng)用中，當(dāng)霍爾元件選定后，其α、β值可以從元件參數(shù)表中查出，而元件內(nèi)阻Ri0則可由測量得到。6.1霍爾傳感器23（2）利用輸出回路的負載進行補償

（a）基本電路（b）等效電路

UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流Ｉ穩(wěn)定不變。即，可以不考慮輸入回路的溫度影響6.1霍爾傳感器24

在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋?/p>

此時，RL上的電壓為負載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為根據(jù)6.1霍爾傳感器25當(dāng)負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻變化對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只考慮在輸入端進行補償即可。若采用恒流源，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。（3）利用恒流源進行補償6.1霍爾傳感器26對于溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料常使用?；魻栞敵鲭S溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進行補償。例如在輸入回路串入熱敏電阻，當(dāng)溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進行補償（a）輸入回路補償RRt6.1霍爾傳感器27（b）輸出回路補償

或在輸出回路進行補償。負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。RRLRt6.1霍爾傳感器28（5）利用補償電橋進行補償調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，仔細調(diào)節(jié)，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關(guān)。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt6.1霍爾傳感器29集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。6.2集成霍爾傳感器306.2.1開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。

霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成。

6.2集成霍爾傳感器316.2.2線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。

一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成?；魻柧€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。6.2集成霍爾傳感器326.3.1磁阻效應(yīng)當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現(xiàn)象。當(dāng)溫度恒定時，在磁場中，磁阻與磁感應(yīng)強度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為：6.3磁敏電阻器33電阻率的相對變化可以看出，在磁感應(yīng)強度Ｂ一定時，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。6.3磁敏電阻器346.3.2磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。在恒定磁感應(yīng)強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。6.3磁敏電阻器35長方形磁阻器件只有在l<b的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。在實際制作磁阻器件時，需在l>b的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），以短路霍爾電勢.圖7-13長方形磁阻器件BIBlIb6.3磁敏電阻器36圖7-14圓盤形磁阻器件(a)(b)B圓盤形的磁阻最大。故大多做成圓盤結(jié)構(gòu)。6.3磁敏電阻器376.3.3磁阻元件的主要特性1.靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場—電阻變化率特性曲線的斜率。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為施加0.3T磁感應(yīng)強度時磁阻元件的電阻值。6.3磁敏電阻器38(b)電阻變化率特性RB/R015105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/TS級(a)S、N級之間電阻特性N級0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500B/T圖7-15靈敏度特性6.3磁敏電阻器392.電阻—溫度特性半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應(yīng)用時，一般都要設(shè)計溫度補償電路。溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）100606.3磁敏電阻器40磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區(qū)I。本征區(qū)I的一面磨成光滑的無復(fù)合表面（I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r區(qū)），因為電子—空穴對易于在粗糙表面復(fù)合而消失。6.4.1磁敏二極管的工作原理和主要特性1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)6.4磁敏二極管和磁敏三級管41+－圖7-17磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖（a）結(jié)構(gòu)（b）符號P+N+I區(qū)r區(qū)6.4磁敏二極管和磁敏三級管422.磁敏二極管的工作原理6.4磁敏二極管和磁敏三級管43當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加正向偏壓后，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)，形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。P+N+I區(qū)r面6.4磁敏二極管和磁敏三級管44當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場作用時，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)合速度而減小。P+N+I區(qū)r面H+6.4磁敏二極管和磁敏三級管45當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場作用時，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏移，由于電子和空穴復(fù)合率明顯變小，因此，電流變大。P+N+I區(qū)r面H-6.4磁敏二極管和磁敏三級管46利用磁敏二極管在磁場強度的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。

（a）（b）（c）圖7-18磁敏二極管工作原理示意圖P+N+I區(qū)r面P+N+I區(qū)r面H+P+N+I區(qū)r面H-6.4磁敏二極管和磁敏三級管473.磁敏二極管的主要特性（1）磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管輸出的電壓變化與外加磁場的關(guān)系。（a）單只使用（b）互補使用B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/VB/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V6.4磁敏二極管和磁敏三級管48（2）伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過其電流的關(guān)系不同磁場強度H作用下，磁敏二極管伏安特性不同例:鍺磁敏二極管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2U(V)I(mA)6.4磁敏二極管和磁敏三級管49硅磁敏二極管的伏安特性(a)I（mA)31245024681012U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)31245024681012U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG6.4磁敏二極管和磁敏三級管50（3）溫度特性：在標準測試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。一般比較大。實際使用必須進行溫度補償。硅管的使用溫度是-40oC~±85oC，鍺管是-40~±65oC。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V6.4磁敏二極管和磁敏三級管51圖7-23溫度補償電路ERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的補償電路:6.4磁敏二極管和磁敏三級管521.磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴散法形成發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長基區(qū)分為輸運基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。6.4.2磁敏三極管的工作原理和主要特性(a)結(jié)構(gòu)(b)符號bcecN+eH-H+bIrN+P+6.4磁敏二極管和磁敏三級管53當(dāng)磁敏三極管末受磁場作用時，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy6.4磁敏二極管和磁敏三級管54

當(dāng)受到正向磁場(H+)作用時，由于磁場的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降，當(dāng)反向磁場(H-)作用時，在H-的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-y6.4磁敏二極管和磁敏三級管55圖7-25磁敏三極管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)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。這樣就可以利用磁敏三極管來測量弱磁場、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。6.4磁敏二極管和磁敏三級管56與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1。(1)伏安特性2.磁敏三極管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)為不受磁場作用時(2)磁場為1kGs基極為3mA6.4磁敏二極管和磁敏三級管57(2)磁電特性

磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，右圖為國產(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。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1

圖7-273BCM磁敏三極管的磁電特性6.4磁敏二極管和磁敏三級管58(3)溫度特性及其補償

磁敏三極管對溫度比較敏感，使用時必須進行溫度補償。對于鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為0.8％/0C；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6％/0C。因此，實際使用時必須對磁敏三極管進行溫度補償。6.4磁敏二極管和磁敏三級管59具體補償電路如圖所示。當(dāng)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。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。ECR1μAmAV1VmReR2補償電路(a)6.4磁敏二極管和磁敏三級管60利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其作為硅磁敏三極管的負載，從而當(dāng)溫度升高時，可補償硅磁敏三極管的負溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。WVmU0EC補償電路(b)6.4磁敏二極管和磁敏三級管61下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動電路。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。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe補償電路(c)6.4磁敏二極管和磁敏三級管62（4）頻率特性3BCM鍺磁敏三極管對于交變磁場的頻率響應(yīng)特性為10kHz。（5）磁靈敏度

磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度h+和負向靈敏度h-兩種。其定義如下：6.4磁敏二極管和磁敏三級管636.5.1霍爾式傳感器的典型應(yīng)用例6-1檢測磁場檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應(yīng)強度成線性正比的電壓。6.5磁敏式傳感器的應(yīng)用64例6-2霍爾位移傳感器6.5磁敏式傳感器的應(yīng)用65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VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時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。6.5磁敏式傳感器的應(yīng)用66例6-3霍爾式壓力傳感器圖7-30霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN6.5磁敏式傳感器的應(yīng)用67例6-4霍爾轉(zhuǎn)速傳感器圖7-31霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾傳感器（a）（b）