傳感器及實用檢測技術(shù)（第三版）磁敏傳感器

磁敏傳感器

5.1概述5.2霍爾元件5.3磁敏電阻（MR）5.4磁敏二極管與磁敏三極管磁敏傳感器

5.1概述

在傳感器中，有一類是對磁信號變化敏感的，稱為磁敏傳感器。這類傳感器主要包括霍爾傳感器、磁阻傳感器、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏集成電路及接近開關(guān)等。磁敏傳感器的應用分為兩大類，即直接應用和間接應用。直接應用主要是磁量測量，包括測量磁場強度的各種磁場計，如地磁的測量、磁帶和磁盤的讀出、漏磁探傷、磁控設備等。間接應用主要是以磁場為媒介檢測非磁信號。如電流、功率、頻率、相位等；非電量測量，厚度、位移、振動、轉(zhuǎn)速、流量、壓力等。磁敏傳感器可實現(xiàn)非接觸測量，在很多情況下，可采用永久磁鐵來產(chǎn)生磁場，不需要附加能源，因此，這類傳感器被廣泛應用于自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫(yī)學等各個領域。本章主要介紹霍爾元件、霍爾集成傳感器、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管等傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性及應用。5.2霍爾元件

5.2.1霍爾元件的特點

1.工作原理霍爾元件是利用霍爾效應制成的磁敏元件，下圖所示為霍爾效應的原理圖。在一半導體薄片兩端面通以控制電流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場，那么，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電勢UH（稱為霍爾電勢或霍爾電壓），這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。

霍爾效應的產(chǎn)生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。將長、寬、高分別為L、W、H的半導體薄片，置于磁場B之下，兩端面a、b通以控制電流I時，薄片中電子運動速度與I的方向相反，在磁場作用下將受一個由c側(cè)指向d側(cè)方向的力的作用,電子運動因受該力的作用會使運動軌跡橫向偏移，按圖中虛線方向前進，電子向d側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)面形成負電荷的積累,半導體片的一側(cè)(d側(cè))電子密集出現(xiàn)負電荷，另一側(cè)(c側(cè))電子稀疏呈現(xiàn)正電荷，兩側(cè)面之間形成電場EH，稱為霍爾電場。使電子運動軌跡橫向偏移的力是洛侖茲力fL，而霍爾電場建立之后又對電子施加電場力

fE，電場力與洛侖茲力的方向相反，阻止電荷的積累，最終達到動態(tài)平衡，這時fL=fE，而洛侖茲力為：

(5-1)

電場力為：

(5-2)

以上兩式中，e為電子電荷，UH為霍爾效應產(chǎn)生的電壓，W為半導體片的寬度，當兩力相等而方向相反時，可得

(5-3)

若以n代表半導體內(nèi)單位體積中的載流子數(shù)，則可得

(5-4)-

式中H為半導體片的厚度，負號表示電流方向與電子運動方向相反。根據(jù)上述兩式可得：

(5-5)

(5-6)

式中RH=1/（ne），RH為霍爾系數(shù)，其大小取決于導體載流子密度，它反映元件霍爾效應的強弱；KH為霍爾靈敏度，KH=RH/H，與霍爾系數(shù)成正比，與霍爾元件厚度成反比。通過以上分析，可以看出：

(1)霍爾電壓UH的大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。一般來說，金屬材料n較大，導致RH和KH變小，故不宜做霍爾元件?；魻栐话悴捎肗型半導體材料。(2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。元件的厚度H越小，KH越大，UH也越大，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但太小，會使元件的輸入、輸出電阻增大，故也不宜太薄。

(3)當元件的材料和尺寸確定后，RH和KH保持常數(shù)，霍爾電壓UH僅和IB的乘積成正比。利用這一特性，在恒定電流下，可用來測量磁感應強度B；反之，在恒定的磁場下，也可以測量電流I。當KH和B恒定時，I越大，UH越大，但電流不宜過大，否則會燒壞霍爾元件。同樣，當KH和I恒定時，B越大，UH也越大。當磁場改變方向時，UH也改變方向，當磁場方向不垂直元件平面，而是與元件平面的法線成一角度θ時，實際作用于元件上的有效磁場是其法線方向的分量，即Bcosθ，這時，霍爾元件的輸出為：

（5-7）

2.霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)：為了達到最好的使用效果及最佳的性能價格比，在使用霍爾元件及傳感器前，必須了解該元件的各種參數(shù)，霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)有：

1)額定控制電流IC及最大允許控制電流Icm

在磁感應強度B=0時，霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃溫升時所對應的控制電流，稱為額定控制電流，一般用IC表示。IC的大小與霍爾芯片的尺寸有關(guān)，尺寸愈小，IC愈小，一般為幾毫安到幾十毫安。由于霍爾元件的輸出電勢隨控制電流的增大而增大，所以在實際使用中總希望選用較大的控制電流值。最大允許控制電流是以霍爾元件允許的最高溫升值為限制所對應的控制電流，一般用Icm

表示。改善霍爾元件的散熱條件，可以增大最大允許控制電流Icm的值。

2)輸入電阻Rin和輸出電阻Rout

霍爾元件兩個控制電流極之間的電阻稱為輸入電阻，均用Rin表示，兩個輸出極之間的電阻稱為輸出電阻，用Rout表示，單位為Ω?；魻栐妮斎腚娮枧c輸出電阻一般為幾歐姆到幾百歐姆，通常輸入電阻的阻值大于輸出電阻，但相差不多。在測量霍爾元件輸入、輸出電阻時，一般是在室溫及沒有磁場（B=0）的條件下用直流電橋或用歐姆表直接測量。3)不等位電勢U0和不等位電阻R0

霍爾元件在額定控制電流作用下，在無外加磁場時（B=0），霍爾電極間的霍爾電勢理想值應零，但實際不為零，這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢，用U0表示。產(chǎn)生不等位電勢的原因很多，主要是由于兩個電極沒有裝配在同一等位面上所致，也與材料的電阻率不均勻、基片的寬度和厚度不一致以及電極與基片之間的接觸的位置不對稱或電接觸不良有關(guān)。不等位電勢U0與額定控制電流Ic之比稱為霍爾元件的不等位電阻，一般用符號R0表示。實際應用中U0和R0越小越好。4)靈敏度靈敏度包括霍爾靈敏度SH和磁靈敏度SB。

(1)霍爾靈敏度KH

霍爾靈敏度又稱乘積靈敏度，也可用SH表示，它是指霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度作用下，輸出極開路時的霍爾電壓，單位為V/T·A。

(2)磁靈敏度SB

磁靈敏度SB是指霍爾元件在額定控制電流和單位磁感應強度作用下，輸出極開路時的霍爾電壓，單位為V/T。磁靈敏度與霍爾靈敏度的區(qū)別在于前者是反映在規(guī)定控制電流下，霍爾元件對磁場強度的檢測能力，它僅與磁場強度有關(guān)，而后者是霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力的參量一般來說SB>SH。5)寄生直流電勢UOD

在不外加磁場時，交流控制電流通過霍爾元件而在霍爾電極間產(chǎn)生的直流電勢稱為寄生直流電勢，一般用符號UOD表示，單位為μA。它主要是由電極與基片之間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應造成的。

6)溫度系數(shù)溫度系數(shù)有霍爾電勢溫度系數(shù)和內(nèi)阻溫度系數(shù)。

(1)霍爾電勢溫度系數(shù)α

霍爾電勢溫度系數(shù)是指霍爾元件在一定的磁感應強度和規(guī)定控制電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢值變化的百分率，常用符號α表示。這一參數(shù)對測量儀器十分重要，若儀器要求精度高，要選擇霍爾電勢溫度系數(shù)小的元件，另外，必要時還要加溫度補償電路。(2)內(nèi)阻溫度系數(shù)β

溫度每變化1℃時，霍爾元件材料的電阻變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，常用符號β表示。

3、霍爾元件的材料及結(jié)構(gòu)

1)霍爾元件的材料霍爾元件的輸出與靈敏度有關(guān)，KH越大，UH越大。而霍爾靈敏度又取決于元件的材料性質(zhì)和尺寸，可以證明霍爾系數(shù)等于霍爾元件材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積（RH=ρμ）。若要霍爾效應強，則RH值要盡可能地大，因此要求霍爾元件材料有較大的電阻率和載流子遷移率。絕緣材料具有很大的電阻率，但其載流子遷移率卻極小；而金屬導體的載流子遷移率很大，但電阻率很低，因而以上兩種材料的霍爾系數(shù)的都很低，不能用于作霍爾元件。只有半導體材料，它既有很高的載流子遷移率，又具有電阻率較大的特點，可以獲得很大的霍爾系數(shù)，適合用于制造霍爾元件?；魻栐捎玫牟牧嫌蠳型鍺（Ge）、銻化銦（InSb），砷化銦（InAs）。砷化鎵（GaAs）及磷砷化銦（InAsP）等。InSb元件的輸出較大，受溫度的影響也較大（但最近研制的新型霍爾元件，在-20℃~80℃時，其溫度系數(shù)低于0.002/℃）；砷化銦元件及鍺元件的輸出不如銻化銦大，但溫度系數(shù)小，并且線性度也好；采用砷化鎵的元件溫度特性好，但價格較貴。

2)結(jié)構(gòu)

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

(b)符號圖5-2霍爾元件

霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它由霍爾片、引線和殼體組成，如圖7-2所示?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，長寬為2：1，早期霍爾元件的制造工藝是在長度方向的兩端焊有電流引出線1、1′，其焊接占面占整個寬度W和厚度H。在長方形的另外兩個邊的中央焊有霍爾電壓引出線2、2′，其焊點很小，只占長度的十分之一以下。兩組引線的焊接都應該是純電阻性（歐姆接觸），即無PN結(jié)特性，否則影響輸出。近年來采用外延及離子注入工藝或采用濺射工藝制造的產(chǎn)品，尺寸小.

圖7-3示為銻化銦霍爾元件的結(jié)構(gòu)。它由襯底、半導體薄膜、引線及能提高輸出靈敏度的磁性體頂部所組成，采用陶瓷或塑料封裝。

5.2.2霍爾集成電路

集成霍爾傳感器是利用霍爾效應與集成電路技術(shù)，將霍爾元件、放大器、溫度補償電路、穩(wěn)壓電源及輸出電路等做在一個芯片上而制成的一個簡化的和比較完善的磁敏傳感器，其外形與PID封裝的集成電路相同，故也稱為霍爾集成電路。集成霍爾傳感器其尺寸緊湊，輸出信號明快，傳送過程中無抖動現(xiàn)象，且功耗低、溫度特性好（帶有補償電路），能適應惡劣環(huán)境。集成霍爾傳感器的霍爾材料仍以半導體硅作為主要材料，按其輸出信號的形式可分為開關(guān)型和線性型兩種。

1、開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器輸出的是高低電平數(shù)字式信號，因此，可與數(shù)字電路直接配合使用，控制系統(tǒng)、設備、儀表等的開和關(guān)，常用的型號有UGN-3000系列和CS系列，主要參數(shù)請查閱有關(guān)資料，

1)開關(guān)型集成霍爾傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5-4霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框

圖5-4為開關(guān)型集成霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)框圖，它主要由穩(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，開路輸出便于傳感器與各種邏輯電路接口。

2)開關(guān)型集成霍爾傳感器的工作原理當有磁場作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時，根據(jù)霍爾效應原理，霍爾元件輸出霍爾電壓。該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路，當放大后的霍爾電壓大于“開啟”閾值時，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使三極管VT導通，且具有拉流的能力，整個電路處于開狀態(tài)。當磁場減弱時，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后，其值也小于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值，施密特整形電路再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使三極管VT截止，電路處于關(guān)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(guān)動作。圖5-5所示是霍爾開關(guān)集成傳感器的典型內(nèi)部電路。下面簡要分析各部分的具體作用。

圖5-5開關(guān)型霍爾集成傳感器電路

(1)霍爾元件由平面型硅霍爾元件組成。一般在0.1T磁場作用下，該器件的開路輸出電壓可達20mV左右。當接有負載后，仍有10mV的輸出電壓，圖中以H表示。

(2)補償元件由兩只二極管VD1、VD2和霍爾元件串聯(lián)而成，霍爾元件的輸出電壓是負溫度系數(shù)，而二極管的電壓與溫度也是呈現(xiàn)負溫度系數(shù)關(guān)系，因此補償效果較好。

(3)差分放大利用差分放大器進行放大。差分放大器由三極管VT1、VT2和電阻R1、R2、R3、R4組成?；魻栐男盘栐诤练?，差分放大器能使霍爾電壓放大到足以驅(qū)動后一級電路。

(4)施密特觸發(fā)器

VT3、VT4、R5、R6等構(gòu)成施密特觸發(fā)器，它將差分放大后的霍爾電壓信號整形為矩形脈沖，然后經(jīng)VT7的集電極開路輸出。

3)開關(guān)型集成霍爾傳感器工作特點圖5-6（a）、（b）所示為開關(guān)型霍爾集成電路的工作特性。從圖（a）可以看出，其工作有一定的磁滯BH，使開關(guān)動作更可靠。BOP為工作點“開”的磁場強度；BRP為釋放點“關(guān)”的磁場強度。當外加磁感應強度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感應強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

還有一種“鎖鍵型”開關(guān)集成霍爾傳感器（例UGN-3075/76），當外加磁場強度超過工作點開時，其輸出導通；當磁場撤消后，輸出狀態(tài)保持不變，必須施加反向磁場并使之超過釋放點，才能使其關(guān)斷。其工作特性如圖7-6（b）所示。

圖5-6開關(guān)型集成霍爾傳感器的工作特性

2、線性型集成霍爾傳感器

線性集成霍爾傳感器的輸出為模擬電壓信號，并且與外加磁場呈線性關(guān)系。從輸出形式來看，線性集成霍爾傳感性可分為單端輸出型和雙端輸出（差分輸出）型兩種電路。

1)單端輸出型單端輸出型線性霍爾傳感器的框圖及外型圖如圖7-7所示，圖為常用的UGN-3501T型集成霍爾傳感器，它為塑料扁平封裝的三端元件，有T、U兩種型號，T型和U型的區(qū)別僅是厚度不同，T型厚度為2.03mm，U型為1.54mm。圖5-7單端輸出型霍爾傳感器

UGN-3501T的霍爾輸出與磁感應強度的關(guān)系如圖7-8所示。從圖中可以看出，在（-0.15~+0.15）T的磁感應強度時，集成霍爾傳感器具有較好的線性，而當磁感應強度超過此值時，呈飽和狀態(tài)。圖5-8UGN-3501T的霍爾輸出與磁感應強度的關(guān)系

2)雙端輸出型雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝器件，可提供差動跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。圖5-9為雙端輸出型UGN-3501M線性集成霍爾傳感器的框圖，它采用8腳封裝，其中①、⑧兩腳為差動輸出，②腳為空腳，③腳為VCC，④腳接地，⑤、⑥、⑦三腳之間外接一電位器，主要用于對不等位電勢進行補償，還可以改善線性，但靈敏度有所降低。若允許有不等位電勢輸出時，則該電位器可以不接。圖5-9雙端輸出型霍爾傳感器

UGN-3501M霍爾輸出與磁感應強度的關(guān)系如圖5-10所示，由圖可知，當其⑤、⑥、⑦腳間接不同阻值的電阻時，同一磁場強度下，阻值越大，輸出越低，但線性度越好。

圖5-10UGN-3501M輸出與磁感應強度的關(guān)系

UGN-3501M的①、⑧兩腳輸出的極性與磁場方向有關(guān)，當磁場的方向相反時，其輸出極性也相反，如圖5-11所示。

圖5-11UGN-3501M輸出的極性與磁場方向的關(guān)系

UGN-3501T與UGN-3501M的參數(shù)如表7-1所示

表5-1VGN-35017與VGN-350M參數(shù)表

位

電源電壓電源電流靜態(tài)輸出靈敏度帶寬工作溫度線性范圍外形尺寸VCCICVO△VOBW℃BL

VmAVmV/mA·TKHz℃TmmUGN-3501THP-5038~12最大1610~202.5~53500~700025(-3dB)0~70±0.154.6×4.5×2UGN-3501M8~1610~18100~400mV700~1400250~700~0.38腳PID型號單位符號項目

5.2.3霍爾元件應用實例霍爾元件及傳感器尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、無觸點、壽命長、頻響寬、動態(tài)特性好，因而廣泛應用于測量、自動控制等領域。下面舉例說明。

1、電流測量利用霍爾元件或霍爾傳感器可制成電流傳感器，通過測量導體中電流產(chǎn)生的磁場，可檢測出流過導體的電流值，這種測量方法的特點是可以不斷開電路來測量電流，這樣就能很方便地測量大的直流電流。這種電流傳感器可用于測量電流，也可制成電流過載檢測器或過載保護裝置。其工作原理如圖7-12所示，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾元件或傳感器插入其中，圓環(huán)上繞有線圈，當檢測電流通過線圈時，產(chǎn)生磁場，霍爾傳感器就有信號電壓UH輸出，根據(jù)UH可求出電流的大小。若采用傳感器UGN-3501M，當線圈為9匝，電流為20A時，則可產(chǎn)生0.1T的磁場強度，輸出電壓UH約為1.4V，相反，當測得UH＝1.4V時，即可知被檢測電流約為20A。圖5-12電流傳感器原理圖

2、開關(guān)電路圖7-13是采用霍爾元件的電流開關(guān)電路?；魻栐S所加磁場的變換，輸出電壓不同，使三極管VT1和VT2輪流導通與截止，并從A和B端輸出相位互差180°的信號。此電路常作為直流無刷電機的磁極位置檢測電路。

3、霍爾計數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬的有無進行檢測。利用這一特性可制成計數(shù)裝置。圖5-14是對黑色鋼球進行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。當鋼球通過霍爾傳感器時，傳感器可輸出20mV的脈沖電壓，該脈沖電壓經(jīng)運算放大器放大后，輸入到VT的基極，驅(qū)動三極管VT工作，VT輸出端可接計數(shù)器進行計數(shù)，并由顯示器顯示檢測數(shù)值。

電容C1和電阻R1構(gòu)成濾波電路使霍爾元件在磁場中輸出的直流分量以及不等位電勢等被濾除掉。

4、自動供水裝置自動供水裝置可實現(xiàn)憑票定量自動供應開水，具有節(jié)約用水而又衛(wèi)生的特點，特別適用于辦公樓與集體宿舍公共水房安裝使用。自動供水裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖5-15所示。鍋爐中的水由電磁閥控制流出與關(guān)閉，電磁閥的打開與關(guān)閉受控于控制電路。當用水者打水時，需將鐵制的取水牌從投放口投入，取水牌沿非磁性物質(zhì)制作的滑槽向下滑行，當滑行到磁傳感部位時，傳感器輸出信號經(jīng)控制電路驅(qū)動電磁閥打開，讓水從水龍頭流出。經(jīng)延時一定時間后，控制電路使電磁閥關(guān)閉，水流停止，又恢復到停止供水狀態(tài)。圖5-15自動供水裝置的結(jié)構(gòu)圖

自動供水裝置的電路如圖7-16所示，它主要由磁傳感裝置、單穩(wěn)態(tài)電路、固態(tài)繼電器、電源電路及電磁閥等組成。磁傳感裝置由磁鐵及SL3020霍爾開關(guān)集成傳感器構(gòu)成。平時，SL3020傳感器因空氣隙的存在受磁鐵磁場的作用較小，其輸出為低電平，晶體管VT1處于截止狀態(tài)，由IC1組成的單穩(wěn)態(tài)電路復位，IC1的輸出端3腳輸出低電平，固態(tài)繼電器SSR由于無控制電流而處于常開狀態(tài)，電磁閥Y斷電而關(guān)閉，水龍頭無水流出。單穩(wěn)態(tài)電路在復位狀態(tài)時，IC1內(nèi)部將電容C2短路。

當取水者投入鐵制的取水牌時，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通過磁傳感裝置時，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，SL3020傳感器受較強磁場的作用輸出為高電平脈沖，經(jīng)晶體管VT1反相后觸發(fā)單

穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)進入暫穩(wěn)狀態(tài)。此時IC1的3腳輸出為高電平，使固態(tài)繼電器SSR有電流流通而閉合，電磁閥Y得電工作，自動開閥放水。單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)后，IC1內(nèi)部電路將C2原短路狀態(tài)釋放，C2通過RP1和R4開始充電。當C2上的電位充電到IC1的閾值時，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路又翻轉(zhuǎn)復位，IC1輸出端第3腳又恢復到低電平，固態(tài)繼電器SSR斷開，電磁閥Y失電關(guān)閉，水龍頭自動停止出水，電路又恢復到平時狀態(tài)。單穩(wěn)態(tài)電路每次由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)進入暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的時間長短，也就是每次供水的時間長短，該時間取決于C2、R4、RP1的時間常數(shù)，調(diào)節(jié)RP1可在3~20s范圍內(nèi)改變這一時間。C1和C3是旁路電容，主要用來消除各種雜波的干擾。

5.3磁敏電阻（MR）

5.3.1磁敏電阻的特點

1、工作原理磁敏電阻是利用磁阻效應制成的磁敏元件，也稱為MR傳感器。所謂磁阻效應是指某些材料，加上外磁場，其電阻值隨磁場強弱而變化的現(xiàn)象。所以通過磁敏元件，可檢測磁感應強度，或者檢測磁場方向。半導體和金屬材料的磁阻現(xiàn)象差別很大，所以磁敏電阻分為兩類。

1)半導體磁敏電阻其工作原理是：無磁場時，元件的電流密度矢量一般呈直線狀，當磁場垂直加在元件表面上時，由于霍爾效應，電流密度矢量與電場方向偏離了θ角（霍爾角），電流經(jīng)過的路徑就變長了，于是電阻值也相應地增加。其工作原理示意圖如圖5-17所示。這種物體電阻的增加是因為加入磁場后，使電流分布發(fā)生變化，稱為幾何磁阻效應。該磁阻效應與半導體的形狀和尺寸有關(guān)。

從圖5-17中可以看出，柯比諾元件的磁阻效應最好，但由于它的初始電阻值很小，實用價值不大。實用的磁阻元件主要采用銻化銦制成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7-18所示。它是把許多小的InSb矩形體單元串聯(lián)在一起構(gòu)成的，采用這種結(jié)構(gòu)的目的是為了提高靈敏度。L/W＜1結(jié)構(gòu)的磁阻元件，其靈敏度比L/W＞1結(jié)構(gòu)的靈敏度高（其中L為InSb小矩形體的長度，W為其寬度）。但L/W＜1形狀降低了電阻值。實際應用中為獲得高的電阻率及便于調(diào)整阻值，一般采用L/W＜1形狀的單體串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且在InSb的兩端夾以金屬形成單體，并排成“弓”字形，從而提高電阻變化率。2)強磁性磁敏電阻強磁性磁敏元件的磁阻效應本質(zhì)上與半導體的磁阻效應不同，它的電阻值與磁場的大小成反比。圖7-19為其結(jié)構(gòu)圖。強磁性磁敏電阻感磁部分為NiCo強磁性金屬構(gòu)成，磁場方向應平行于電流方向（與半導體磁敏元件不同）。

2、磁敏電阻的主要特性

1)靈敏度KRB/R0的比值稱為磁敏電阻的靈敏度。R0為無磁場時元件的阻值，RB是磁場強度為B時的電阻值。有的廠家也用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示。一般來說，磁敏電阻的靈敏度K≥2.72)磁阻特性由線（B-R特性）磁敏電阻的電阻值R隨磁感應強度B變化的曲線如圖7-20所示。可以看出磁敏元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，只隨磁場強度的增加而增加

3)溫度系數(shù)溫度每變化1℃時，磁敏電阻的相對變化（%/℃）。磁敏電阻的溫度系數(shù)約為-2%/℃，是比較大的，即磁敏電阻值受溫度變化影響較大。為了補償磁敏電阻的溫度特性，可以采用兩個磁敏電阻串聯(lián)，用分壓輸出，可大大改善元件的溫度特性。5.3.2磁敏電阻的應用實例利用磁敏電阻可變的特點，可以在無觸點開關(guān)、轉(zhuǎn)速計、磁通計、編碼器、圖形識別等多方面得到應用。下面介紹非接觸式角度傳感器，輸入為角度，輸出為電壓。其工作原理如圖7-21所示。它是由兩個半環(huán)形磁敏電阻組成，，半圓形磁鐵與磁敏電阻之間有間隙，當磁鐵轉(zhuǎn)動時，產(chǎn)生相應的磁場以差動方式加于兩個磁敏電阻上，則RM1、RM2的電阻變化就表現(xiàn)為相應的電壓變化，作為輸出電壓。由特性曲線可知，輸出電壓與轉(zhuǎn)角變化有一段為線性關(guān)系，利用這線性關(guān)系可以構(gòu)成轉(zhuǎn)角傳感器。

BS系列磁敏電阻可用作圖形識別。例：識別紙幣的真?zhèn)?，如果是真幣，?jīng)過有磁性油墨印刷的100字樣時，輸出信號幅值很大，若是偽幣則無此信號。5.4磁敏二極管與磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管是繼霍爾元件和磁敏電阻之后發(fā)展起來的一種磁電轉(zhuǎn)換元件。這種元件具有響應快、無觸點、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點，有很高的靈敏度，可以在較弱的磁場條件下獲得較大的輸出電壓，這是霍爾元件和磁敏電阻所不及的。它不但能檢測出磁場大小，并且能測出磁場方向，體積小、測試電路簡單，所以特別適合制作無觸點開關(guān)、小量程高斯計、漏磁測量儀、磁力探傷儀等儀器和儀表。

5.4.1磁敏二極管

1、磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理磁敏二極管是一種電阻值隨磁場強度的大小和方向均改變的結(jié)型二端磁敏元件（注意與磁敏電阻不同，磁敏電阻的阻值與磁場強度大小有關(guān)而與其方向——極性無關(guān)）。磁敏二極管的材料為鍺和硅半導體材料。磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與符號如圖5-22所示。磁敏二極管的結(jié)構(gòu)是P+-i-N-型，在本征半導體高純度鍺（或硅）的兩端，用合金法制成高摻雜的P型和N型區(qū)，中間為本征區(qū)（i區(qū)），i區(qū)的長度遠遠大于載流子擴散的長度，在i區(qū)的一個側(cè)面上用噴砂、研磨或擴散雜質(zhì)等方法制成高復合區(qū)（r區(qū)），在r區(qū)載流子的復合速率較大，r區(qū)的對面則保持光滑無復合表面。

當給磁敏二極管加上正向電壓（即P區(qū)接“+”，N區(qū)接“－”）時，P區(qū)向i區(qū)注入空穴，N區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒有外加磁場情況下，大部分的空穴和電子分別流入N區(qū)和P區(qū)而產(chǎn)生電流，只有一小部分電子和空穴在i區(qū)被復合掉，如圖7-23（a）所示。

當加上一個正磁場時，如圖5-23（b）所示，電子和空穴由于受洛侖茲力的作用均偏向r區(qū)，并在r區(qū)很快復合。這樣使得在i區(qū)的載流子密度減小，電流減小，于是二極管的內(nèi)阻增加，外部電壓分配給i區(qū)電壓增加，而分配在Pi結(jié)和Ni上的電壓減小，結(jié)電壓的減小，又進一步使載流子注入i區(qū)的數(shù)量減小，i區(qū)電阻進一步增加，直到某一穩(wěn)定狀態(tài)。當給磁敏二極管加一個反向磁場，如圖5-23（c）所示，電子和空穴在洛侖茲力作用下，向r區(qū)對面偏轉(zhuǎn)，偏離r區(qū)，結(jié)果與加正向磁場時情況相反，i區(qū)電流增大，電阻減小，分配給i區(qū)電壓減小，Pi、Ni結(jié)電壓增加，促使更多載流子向i區(qū)注入，使i區(qū)電阻進一步減小，直到進入某一穩(wěn)定狀態(tài)為止。

由以上分析可知，磁敏二極管是采用電子空穴雙重注入效應及復合效應原理工作的。當加上正向電壓時，二極管的阻值將隨磁場的大小和方向而改變，并且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，利用這一點可以判別磁場方向。若在磁敏二極管上加上反向電壓時，僅有微小電流流過，并且?guī)缀跖c磁場無關(guān)。二極管兩端的電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。因此磁敏二極管只能在正向電壓下工作。

2、磁敏二極管的主要技術(shù)參數(shù)

1)靈敏度

(1)電流靈敏度在恒定電壓下（6V），磁感應強度由B=0變?yōu)锽=±0.1T時所引起的磁敏二極管工作電流的相對變化量，即

(5-8)

式中SI為電流相對靈敏度，單位是T-1，I±為B=±0.1T時流過磁敏二極管的電流；I0為B=0時流過磁敏二極管的電流。上式為電流相對靈敏度，為簡便起見，可用絕對靈敏度表示，表達式為(5-9)

SI′的單位為A/T(2)電壓靈敏度在恒定電流下（I=3mA），磁感應強度由B=0變化到B=±0.1T所引起的磁敏二極管輸出電壓的相對變化量，即

(5-10)

式中：SU為電壓相對靈敏度，單位為T-1；U0為B=0時磁敏二極管兩端的電壓；U±為B=±0.1T時，磁敏二極管兩端的電壓。上式為電壓相對靈敏度，為簡便起見，可用絕對靈敏度表示，其表達式為

(5-11)SU′的單位為V/T2)磁電特性磁敏二極管的磁電特性是指在一定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場的關(guān)系，其特性曲線見圖7-24。在弱磁場及一定的工作電流下，曲線有較好的線性，在強磁場下則成非線性。圖5-24磁敏二極管的磁電特性

3)伏安特性在給定磁場下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過其上電流的關(guān)系曲線，圖7-25是磁敏二極管在不同磁場強度時的伏安特性曲線。由曲線可見，通過磁敏二極管的電流越大，則在一定磁場強度下輸出電壓越大，磁靈敏度越高。當磁敏二極管所加電壓一定時，在正向磁場作用下，二極管的電阻增加，電流減小。在反磁場作用下，電阻減小，電流增大。

圖5-25磁敏二極管伏安特性

4)溫度特性磁敏二極管的溫度特性是指在標準測試條件下，其輸出電壓的變化量ΔU隨溫度變化的規(guī)律。圖7-26所示為磁敏二極管的溫度特性曲線，溫度越高，工作電壓和靈敏度均下降。

圖7-26磁敏二極管的溫度特性

3、應用實例位移測量：利用兩個磁敏二極管可以組成差動輸出式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)及電路圖如圖7-27所示。導磁板放置在兩個磁敏二極管的中間，當導磁板向右移動時，磁敏二極管VD2離導磁板距離減小，VD2中磁鐵端面上的B增大，磁敏二極管VD2的電阻增加，而磁敏二極管VD1的電阻減小，電橋失去平衡。相反，當導磁板向左移動時，VD1的電阻將增加，VD2的電阻將減小，電橋也失去平衡，輸出與位移成比例的信號。測量出電信號，就可以計算出位移量。

7.4.2磁敏三極管

1、磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理磁敏三極管有PNP型和NPN型結(jié)構(gòu)，按半導體材料的不同，又有鍺和硅磁敏三極管。圖7-28為NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號。磁敏三極管有兩個PN結(jié)，其中發(fā)射極e和基極b之間的PN結(jié)是長基區(qū)二極管，在長基區(qū)i區(qū)的側(cè)面設置一高復合區(qū)（r區(qū)）。圖7-28磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號

圖7-29為磁敏三極管的工作原理圖。圖7-29（a）是無外磁場作用時，從發(fā)射極e注入到i區(qū)的電子由于i區(qū)較長，在橫向電場Ube的作用下，大部分被分流到基極，形成基極電流，只有少部分傳輸?shù)郊姌O形成集電極電流，基極電流大于基電極電流，電流放大系數(shù)β=IC/IB＜1。圖7-29（b）為在外部磁場B+作用的情況。從發(fā)射極注入到i區(qū)的電子，除受橫向電場Ube作用外，還受洛侖茲力的作用，使其向高復合區(qū)r方向偏轉(zhuǎn)。結(jié)果使流入