《傳感器原理及應用技術(shù) 》課件第4章

4.1磁敏傳感器的物理基礎——霍爾、磁阻、形狀效應4.2霍爾元件4.3磁阻元件

4.4磁敏二極管4.5磁敏三極管4.6磁敏傳感器的應用思考題與習題第4章磁敏傳感器

4.1.1基礎知識

在了解和學習磁敏傳感器之前,先讓我們回顧一下磁現(xiàn)象及其有關公式。 磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象不同,它的特點之一是磁荷（MagneticCharge）不能單獨存在,必須是N、S成對存在（而電荷則不然,正電荷和負電荷可以單獨存在）,并且在閉區(qū)間表面全部磁束（磁力線）的進出總和必等于零,即div

B=0。 4.1磁敏傳感器的物理基礎——霍爾、磁阻、形狀效應

磁感應強度、電場強度、力三者的關系可由公式表示為 該式表示運動電荷e從電場E受到的力和磁場（磁感應強度B）存在時電流ev(v為電荷速度)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。

電感L、電流I與它們產(chǎn)生的磁束Φ之間的關系可表示為

當磁束有變化時,在與其相交的電路中將產(chǎn)生的電動勢為Φ=LI

以上這些公式是檢測磁學量所依據(jù)的基本公式。

4.1.2霍爾效應

有一如圖4.1所示的半導體薄片,若在它的兩端通以控制電流I,在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為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。圖4.1霍爾效應原理圖

4.1.3磁阻效應

將一載流導體置于外磁場中,除了產(chǎn)生霍爾效應外,其電阻也會隨磁場而變化。這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應,簡稱磁阻效應。磁阻效應是伴隨霍爾效應同時發(fā)生的一種物理效應。當溫度恒定時,在弱磁場范圍內(nèi),磁阻與磁感應強度B的平方成正比。對于只有電子參與導電的最簡單的情況,理論推出磁阻效應的表達式為

ρB=ρ0(1+0.273μ2B2)

式中：B——磁感應強度；

μ——電子遷移率；

ρ0——零磁場下的電阻率；

ρB——磁感應強度為B時的電阻率。

設電阻率的變化為Δρ=ρB-ρ0,則電阻率的相對變化為

由上式可見,磁場一定,遷移率高的材料磁阻效應明顯。

InSb和InAs等半導體的載流子遷移率都很高,很適合制作各種磁敏電阻元件。

4.1.4形狀效應

磁阻的大小除了與材料有關外,還和磁敏元件的幾何形狀有關。 在考慮到形狀的影響時,電阻率的相對變化與磁感應強度和遷移率的關系可以近似用下式表示：

式中：f(l／b)為形狀效應系數(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。4.2霍爾元件

4.2.1霍爾元件的工作原理

霍爾元件是基于霍爾效應工作的?；魻栃怯捎谶\動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。如圖4.1所示,假設在N型半導體薄片上通以電流I,那么,半導體中的載流子（電子）將沿著和電流相反的方向運動。若在垂直于半導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；v：電子速度；B：磁感應強度)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。該電場阻止運動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn),當電場作用在運動電子上的力fE(fE=eUH／l)與洛倫茲力fL相等時,電子的積累便達到動態(tài)平衡。這時,在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH,相應的電勢就稱為霍爾電勢UH,其大小可用下式表示：

式中：RH——霍爾常數(shù)（米3／庫侖,即m3／C）；

I——控制電流（安培,即A）；

B——磁感應強度（特斯拉,即T）；

d——霍爾元件厚度（米,即m）。 令

(伏·米2／(安·韋伯),即V·m2／(A·Wb)) (4.2)

KH稱為霍爾元件的靈敏度。于是

UH=KHIB

(4.3)(4.1)

由上式可知,霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應強度B?；魻栐撵`敏度KH是表征對應于單位磁感應強度和單位控制電流時輸出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。由于半導體（尤其是N型半導體）的霍爾常數(shù)RH要比金屬的大得多,所以在實際應用中,一般都采用N型半導體材料做霍爾元件。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（4.3）可見,當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。但當磁場與電流同時改變方向時,霍爾電勢極性不變。

需要指出的是,在上述公式中,施加在霍爾元件上的磁感應強度為B的磁場是垂直于薄片的,即磁感應強度B的方向和霍爾元件的平面法線是一致的。當磁感應強度B和元件平面法線成一角度θ時,作用在元件上的有效磁場是其法線方向的分量（即Bcosθ）,這時,UH=KHIBcosθ。4.2.2霍爾元件的結(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?；魻柶且粔K矩形半導體薄片，一般采用N型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成，見圖4.2。在長邊的兩個端面上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）。霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。圖4.2霍爾元件示意圖

4.2.3基本電路

通常,在電路中,霍爾元件可用如圖4.3所示的幾種符號表示。標注時,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4.1。 圖4.4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?；魻栞敵龆私迂撦dRf。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,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,或正比于兩者的乘積。圖4.3霍爾元件的符號圖4.4霍爾元件的基本電路

1.恒壓工作 如圖4.5所示,恒壓工作比恒流工作的性能要差一些,只適用于對精度要求不太高的地方。

當使用SHS210霍爾元件時,工作在1V、1kGs(1Gs=10-4T)時,輸出電壓為21～55mV,偏移電壓為±7%（最大）（1.47～3.85mV）。無磁場時偏移電壓不變,在弱磁場下工作不利。偏移電壓可以調(diào)整為零,但與運算放大器一樣,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是霍爾元件輸入電阻隨溫度變化和磁阻效應的影響。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）。圖4.5恒壓工作的霍爾傳感器電路

恒壓工作的控制電流為

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。

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4.6所示。在恒流工作下,沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應的影響。 恒流工作時偏移電壓的穩(wěn)定性比恒壓工作時差一些。特別是InSb霍爾元件，由于輸入電阻的溫度系數(shù)大，因此偏移電壓的影響更為顯著。對電路圖中的THS103AGaAs霍爾元件，在5mA工作電流、1×10-1T下，輸出電壓為50～120mA，此時的偏移電壓為±10%（5～12mV）。圖4.6恒流工作的霍爾傳感器電路

3.差分放大 霍爾元件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4.7所示為放大電路的一個例子。霍爾元件是四端器件,為了去除同相電壓,需要使用差分放大器。在圖4.7（a）中,使用一個運算放大器時,霍爾元件的輸出電阻大于運算放大器的輸入電阻,這樣就會產(chǎn)生誤差；圖4.7(b)中使用了三個運算放大器,則沒有這個問題。圖4.7霍爾傳感器的測量電路

在圖4.7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4.8所示的電路形式。在這種電路中,直流成分被電容隔離。對于圖4.8(a)所示電路,R2的值很大,應選用漏電流小的電容。由于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4.8(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4.8(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。圖4.8霍爾傳感器的輸出為交流時的放大電路

4.2.4電磁特性

1.ＵH-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之間呈線性關系（見圖4.9）。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 （4.4） 由UH=KHIB,可得到

KI=KHB(4.5)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,還與控制電流有關。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。

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并不完全呈線性關系,而有所偏離。通常,霍爾元件工作在0.5Wb／m2以下時線性度較好,如圖4.10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%。圖4.9霍爾元件的UH－I特性曲線圖4.10霍爾元件的UH-B特性曲線

4.2.5誤差分析及誤差補償

1.不等位電勢及其補償

不等位電勢是一個主要的零位誤差。由于在制作霍爾元件時,不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上,如圖4.11所示,因此,當控制電流I流過元件時,即使磁場強度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4.12所示。電橋臂的四個電阻分別為r1、r2、r3、r4。當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。當霍爾電極不在同一等位面上時,如圖4.11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?；謴碗姌蚱胶獾霓k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,就應采用機械修磨或用化學腐蝕元件的方法來減小不等位電勢。圖4.11不等位電勢示意圖圖4.12霍爾元件的等效電路

對已制成的霍爾元件,可以采用外接補償線路進行補償。常用的幾種補償線路如圖4.13所示。圖4.13不等位電勢的幾種補償線路

2.溫度誤差及其補償

由于半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會隨溫度的變化而發(fā)生變化,因此,霍爾元件的性能參數(shù)（如內(nèi)阻、霍爾電勢等）對溫度的變化也是很靈敏的。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)合其它補償線路。

圖4.14所示是一種既簡單、補償效果又較好的補償線路。它是在控制電流極并聯(lián)一個合適的補償電阻r0,這個電阻起分流作用。當溫度升高時,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償電阻,就能自動調(diào)節(jié)流過霍爾元件的電流大小,從而起到補償作用。r0的大小可通過以下的推導求得。圖4.14溫度補償電路

設在某一基準溫度T0時有以下關系：

I=IH0+I0(4.6) (4.7)

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時的補償電阻。 當溫度升到T時,同理可得（4.8）

式中：R是當溫度為T時霍爾元件的內(nèi)阻,R=R0（1+βt）(β是霍爾元件的內(nèi)阻溫度系數(shù)；t=T-T0,為相對于基準溫度的溫差)；r是當溫度為T時補償電阻的阻值,r=r0(1+δt)(δ是補償電阻的溫度系數(shù))。 當溫度為T0時,霍爾電勢為

UH0=KH0IH0B（4.9） 式中,KH0是當溫度為T0時霍爾元件的靈敏度。 設KH=KH0（1+αt）,當溫度為T時,霍爾電勢為

UH=KHIHB=KH0（1+αt）IHB(4.10)

式中：KH是當溫度為T時霍爾元件的靈敏度；

α是霍爾電勢的溫度系數(shù)。 如果在補償以后,輸出霍爾電勢不隨溫度變化,也就是滿足以下條件：

UH=UH0

（4.11）

說明霍爾電勢的溫度誤差得到了全補償，即有

KH0（1+αt）IHB=KH0IH0B

于是

(1+αt)IH=IH

0

由式（4.7）和式（4.8）,并將r、R用r0、R0表示,得

(4.12)

將式（4.12）左邊展開,并略去αδt2項（溫差t＜100℃時,因α、δ很小,故此項很?。?則

r0α=R0(β-α-δ)

因為α、δ比β小得多,即

α<<β,δ<<β

所以式（4.13）可近似為

(4.14) 通過上式就可以確定補償電阻r0的大小。當霍爾元件給定后,霍爾元件的內(nèi)阻溫度系數(shù)β和霍爾電勢的溫度系數(shù)α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。(4.13)

實踐表明,補償后霍爾電勢受溫度的影響極小,且這種補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。這顯然是由于流過霍爾元件的控制電流被補償電阻分流的緣故。只要適當增大恒流源輸出電流,使通過霍爾元件的電流達到額定電流,輸出電壓就會不變。 表4.1列出了常用霍爾元件的特性參數(shù)。

表4.1常用霍爾元件的特性參數(shù)4.3磁阻元件

4.3.1長方形磁阻元件

長方形磁阻元件的結(jié)構(gòu)如圖4.15(a)所示,其長度L大于寬度b,在兩端部制成電極,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,阻礙電子運動,由于這種阻礙的存在,使電子運動速度可減到零。電子運動的軌道如圖4.16所示。不難看出,載流子因為是弧形運動,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。圖4.15長方形和高靈敏度元件圖4.16在電場和磁場互相垂直的固體中電子的運動

4.3.2科爾賓元件

科爾賓（Corbino）元件的結(jié)構(gòu)如圖4.17所示。在圓盤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。圖4.17科爾賓元件

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。這是可以獲得最大磁阻效應的一種形狀。

4.3.3平面電極元件

將長方形的L／b減小,磁阻效應R／R0也就變大,零磁場的電阻R0也變小,但由磁場而引起的阻值的變化量ΔR（ΔR=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ΔR與電流的乘積來表示。為了加大磁阻效應就要使電阻變大。從原理上講,如果把L／b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,但是制作困難,不能實用。

平面電極元件的結(jié)構(gòu)如圖4.18所示,電極配置成平面狀。這種結(jié)構(gòu)的磁阻效應比在元件的端面上配置電極的結(jié)構(gòu)要稍差一些,但可應用鍍膜技術(shù)和光刻技術(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10μm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,由于能獲得小于1μm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,磁阻效應也要小,但是生產(chǎn)效率高,價格低廉。圖4.18平面電極元件的結(jié)構(gòu)

4.3.4InSb-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)晶過程中會析出沿著一定方向排列的細長NiSb針狀晶體,如圖4.19所示。針狀晶體導電性能良好,其直徑為1μm長度為100μm左右。由于NiSb在InSb中是平行整齊、有規(guī)則排列,所以可將它看作為柵格金屬條,起著短路霍爾電勢的作用,相當于幾何形狀效應。它是幾何形狀長寬比L／b=0.2的扁條狀磁阻元件的串聯(lián)元件。圖4.20示出了三種元件的磁阻效應情況。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。但從溫度關系曲線上將會發(fā)現(xiàn),其溫度特性得到了改善。圖4.19InSb-NiSb共晶元件圖4.20三種元件的磁阻效應情況

4.3.5曲折形磁阻元件 無論是平面電極元件,還是InSb-NiSb共晶元件,為了進一步提高電阻值,往往采用圖4.21(a)所示的單個曲折形結(jié)構(gòu)。圖4.21(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。圖4.21曲折形磁阻元件

4.3.6磁阻元件的溫度補償 用InSb材料制作的磁阻元件,其特性受溫度的影響很大。 圖4.22示出了三種溫度特性曲線。圖中符號D、L、N與圖4.20中的相對應。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)實際情況靈活選擇其類型。

當元件選定以后,還必須按照用途進行有效的溫度補償。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4.23中示出了這種情況的溫度補償例子。圖中，RM為磁阻元件,r1、r2為溫度補償元件。圖4.22溫度特性曲線圖4.23差動式元件溫度補償法4.4.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管是利用磁阻效應進行磁電轉(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4.24所示。圖中，i為本征（完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體）或接近本征的半導體，其長為L，它比載流子擴散長度大數(shù)倍，其兩端分別為高摻雜的區(qū)域p+、n+。如果本征半導體是弱N型的，則為p+－v－n+型；如是弱P型的，則為p+－π－n+型。在v或π區(qū)一側(cè)用擴散雜質(zhì)或噴砂的辦法制成的高復合區(qū)稱為r區(qū)，與r區(qū)相對的另一側(cè)面保持光滑，為低（或無）復合面。4.4磁敏二極管圖4.24鍺磁敏二極管結(jié)構(gòu)及電路符號

4.4.2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,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。由于運動的空間“很大”,除少數(shù)載流子在體內(nèi)復合掉之外,大多數(shù)分別到達n+和p+區(qū),形成電流,總電流為I=Ip+In。

而對磁敏二極管,情況就不同了。當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4.25所示。由于r區(qū)是高復合區(qū),所以進入r區(qū)的電子和空穴很快被復合掉,因而i區(qū)的載流子密度減少,電阻增加,則Ui增加,在兩個結(jié)上的電壓Up、Un則相應減少。i區(qū)電阻進一步增加,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）復合區(qū)流動,則使載流子在i區(qū)的復合減小,再加上載流子繼續(xù)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,直至達到某一穩(wěn)定值為止。圖4.25磁敏二極管載流子受磁場影響情況

4.4.3磁敏二極管的特性

1.電流-電壓特性 圖4.26示出了Ge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：

(1)輸出電壓一定,磁場為正時,隨著磁場強度增加,電流減小,表示磁阻增加,磁場為負時,隨著磁場強度向負方向增加,電流增加,表示磁阻減小。

(2)同一磁場之下,電流越大,輸出電壓變化量也越大。圖4.26Ge磁敏二極管的伏安特性曲線

Si磁敏二極管的電流-電壓特性曲線如圖4.27所示。值得注意的是,在圖4.27（b）中出現(xiàn)了“負阻”現(xiàn)象。其原因是高阻i區(qū)熱平衡載流子少,注入i區(qū)的載流子在未填滿復合中心前不會產(chǎn)生較大電流。只有當填滿復合中心后電流才開始增加,同時i區(qū)壓降減少,表現(xiàn)為負阻特性。圖4.27Si磁敏二極管的伏安特性曲線

2.磁電特性 在給定條件下,把磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場的關系叫做磁敏二極管的磁電特性。 圖4.28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。互補使用時,正向特性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；在弱磁場下,曲線有很好的線性。圖4.28磁敏二極管的磁電特性曲線

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ΔU隨溫度變化的規(guī)律,如圖4.29所示。從圖中可以看出,元件受溫度影響較大。圖4.29磁敏二極管（單個使用）的溫度特性曲線

溫度特性的優(yōu)劣,可用U0和ΔU溫度系數(shù)來表示。其參數(shù)大小如表4.2所示。表4.2Ge、Si磁敏二極管的U0及ΔU溫度系數(shù)

4.磁靈敏度

磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法。 （1）在恒流條件下,偏壓隨磁場變化,電壓相對磁靈敏度SU為

式中：U0磁場強度為零時,磁敏二極管兩端的電壓；UB是磁場強度為B時,磁敏二極管兩端的電壓。SU的測量電路如圖4.30所示。圖4.30電壓相對磁靈敏度測量電路

（2）在恒壓條件下,偏流隨磁場變化,電流相對磁靈敏度SI為

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,通過磁敏二極管的電流。SI的測量電路如圖4.31所示。圖4.31電流相對磁靈敏度測量電路

（3）按照標準測試,在給定電源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4.32所示。圖4.32標準測試方法電路的原理圖

4.4.4磁敏二極管的補償技術(shù)

1.互補式溫度補償電路

互補式溫度補償電路如圖4.33(a)所示。 使用該電路時,應選用特性相近的兩只管子,按相反磁極性組合,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.熱敏電阻溫度補償電路

熱敏電阻溫度補償電路如圖4.33(b)所示。圖4.33溫度補償電路4.5磁敏三極管

4.5.1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4.34所示，它是在弱P型準本征半導體上用合金法或擴散法形成三個極，有發(fā)射極e、基極b、集電極c，相當于在磁敏二極管長基區(qū)的一個側(cè)面制成一個高復合區(qū)r。圖4.34NPN型Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號 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4.35所示。它一般采用N型材料,通過二次硼擴散工藝,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。圖4.35Si磁敏三極管的結(jié)構(gòu)

4.5.2磁敏三極管的工作原理 如圖4.36（a）所示,當不受磁場作用時,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。由此可見,基極電流大于集電極電流,所以電流放大倍數(shù)β=Ic／Ib＜1。 如圖4.36(b)所示,當受到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),從而使集電極電流Ic明顯下降。當受到H-磁場作用時,如圖4.36(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。圖4.36磁敏三極管的工作原理示意圖

4.5.3磁敏三極管的特性

1.伏安特性 圖4.37示出了磁敏三極管的伏安特性曲線。圖4.37（a）為無磁場作用時的伏安特性；圖4.37（b）為在恒流條件下,Ib=3mA,磁場為±1×10-1T時集電極電流Ic的變化情況。圖4.37磁敏三極管的伏安特性曲線

2.磁電特性

NPN型Ge磁敏三極管（3BCM磁敏三極管）的磁電特性曲線如圖4.38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。

NPN型Ge磁敏三極管（3BCM磁敏三極管）的磁電特性曲線如圖4.38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。圖4.383BCM磁敏三極管的磁電特性

3.溫度特性

3BCM磁敏三極管的溫度特性曲線如圖4.39所示。圖4.39（a）為基極恒壓時的溫度特性曲線,圖4.39(b)為基極恒流時的溫度特性曲線。 當溫度從T1升到T2時,集電極電流Ic的溫度靈敏度系數(shù)表達式為

式中,Ic(T0)表示T0=25℃時的集電極電流。圖4.393BCM磁敏三極管的溫度特性曲線

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4.5.4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Si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,可采用以下幾種方法進行溫度補償。

1.利用正溫度系數(shù)普通硅三極管進行補償

其電路如圖4.40(a)所示。圖4.40溫度補償電路 2.利用磁敏三極管互補電路 由PNP和NPN型磁敏三極管組成的互補式補償電路如圖4.40(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Ge磁敏二極管的電流隨溫度升高而增加,利用這一特性可將其作為Ge磁敏三極管負載以補償輸出電壓的漂移,如圖4.40(c)所示。

4.采用差分補償電路

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償電路。這種補償方法可提高磁靈敏度。其電路如圖4.40(d)所示。幾種磁敏傳感器的實物圖如圖4.41~圖4.51所示。圖4.41所示的霍爾開關其檢測距離為8mm，檢測介質(zhì)為磁性材料，響應頻率為5kHz，輸出方式為三線制（N:NPN開集輸出），負載能力為20mA，工作溫度為-45～125℃，工作電源為4～24VDC，外型尺寸為M8×33mm×0.75mm。圖4.41

HO8－N－A(KHO－03DA)霍爾開關圖4.42所示的霍爾元件其檢測距離為8mm，檢測介質(zhì)為磁性材料，響應頻率為5kHz，輸出方式為三線制（P:PNP開集輸出），負載能力為200mA，工作溫度為-45～125℃，工作電源為10～30VDC，外型尺寸為M8×33mm×0.75mm。圖4.42

HP8－P－B(KHP－01DB)霍爾開關圖4.43

SS500系列表面貼裝霍爾傳感器圖4.44所示的霍爾傳感器的原邊與副邊之間高度絕緣，具有很高的性價比，穿孔結(jié)構(gòu)，無插入損耗，安裝簡便，體積小，重量輕。應用霍爾效應的開環(huán)電流傳感器能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。圖4.44霍爾電流傳感器CS500B系列圖4.45所示的霍爾傳感器的原邊與副邊之間高度絕緣，具有很高的性價比，穿孔結(jié)構(gòu)，無插入損耗，安裝簡便，體積小，重量輕。應用霍爾效應的開環(huán)電流傳感器能在電隔離條件下測量交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。圖4.45霍爾電流傳感器A－CS300B系列圖4.46所示的傳感器其原邊與副邊之間高度絕緣，具有很高的性價比，穿孔結(jié)構(gòu)，無插入損耗，安裝簡便，體積小，重量輕。應用霍爾效應的開環(huán)電流傳感器能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。圖4.46霍爾電流傳感器CS600CF系列圖4.47所示的傳感器可用于過載保護、電流監(jiān)測、不間斷電源UPS、能源控制系統(tǒng)以及開關電源。應用霍爾效應的開環(huán)電流傳感器能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。圖4.47霍爾電流傳感器CS500E系列圖4.48所示的半導體磁敏傳感器用于磁性油墨印刷物的識別，例如識別人民幣、檢測AC和DC電流。MR傳感器是由InSb單結(jié)晶制成的，感度高，SN比好。被檢體不必緊密接觸傳感器也可以檢測。輸出電壓值與磁性體的移動速度無關。被檢體是純電阻，抗誘導干擾能力強。這種傳感器體積小，安裝方便。圖4.48半導體磁敏傳感器MRS－F－21圖4.49

HMC1001高靈敏度一維磁阻傳感器圖4.50

HMC1022二維磁阻傳感器圖4.51

2SS52M系列開關量磁阻傳感器

4.6.1霍爾元件的應用

1.霍爾位移傳感器

如圖4.52(a),在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼的氣隙中放置一個霍爾元件。當元件的控制電流I恒定不變時,霍爾電勢UH與磁感應強度B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)（見圖4.40(b)）,則當霍爾元件沿x方向移動時,霍爾電勢的變化為4.6磁敏傳感器的應用

式中,k是位移傳感器的輸出靈敏度。 將式（4.15）積分后得

UH=kx

式(4.16)說明,霍爾電勢與位移量成線性關系?；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x=0,即元件位于磁場中間位置上時,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。 霍爾位移傳感器一般可用來測量1～2mm的小位移。其特點是慣性小,響應速度快,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。(4.15)圖4.52霍爾位移傳感器的磁路結(jié)構(gòu)示意圖

2.霍爾壓力傳感器

圖4.53是HYD型壓力傳感器。這類霍爾壓力傳感器是把壓力先轉(zhuǎn)換成位移后,再應用霍爾電勢與位移關系測量壓力。作為壓力敏感元件的彈簧管,其一端固定,另一端安裝著霍爾元件。當輸入壓力增加時,彈簧管伸長,使處于恒定梯度磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應的位移,由霍爾元件的輸出電壓的大小即可知壓力的大小。其元件的位移在±1.5mm范圍內(nèi),輸出約20mV,工作電流為10mA,線性較好。圖4.53HYD型壓力傳感器

3.霍爾磁極檢測器使用霍爾元件可以很方便地制作用于檢查磁鐵N極、S極的磁極檢測器。磁極檢測器的電路及元器件表如圖4.54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(330Ω)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——電源電壓；

ULED——發(fā)光二極管的正向電壓；

RH——霍爾元件的電阻。圖4.54磁極檢測器電路

霍爾電壓UH由運算放大器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0.6～0.7V。為了保證表頭上流過0.2mA的電流,取R3=3kΩ。由于有二極管V1和V2的限流作用,R2可取2kΩ,流過二極管的最大電流約有4mA。 該檢測器使用簡便,當用它靠近被測磁鐵,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,表針應處在中心位置,改變Rw,便可達到零點調(diào)整。 H1是由先鋒公司精密生產(chǎn)的InSb霍爾元件,霍爾電壓130～300mV（12mA,1kGs)，非一致性±35mV%,輸入電阻150～600Ω,最大工作電流20mA。

4.霍爾轉(zhuǎn)速測量儀利用霍爾效應測量轉(zhuǎn)速有兩種可行的方案,分別如圖4.55(a)和4.55(b)所示。圖4.55(a)中將永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸端；圖4.55(b)中是將永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸側(cè)。霍爾元件放置于磁體的氣隙中,當軸轉(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)。

圖4.55利用霍爾效應測量轉(zhuǎn)速的方案（a）永磁體安裝在軸端；（b）永磁體安裝在軸側(cè)

5.用霍爾元件測量電流 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4.56所示。將霍爾元件放置在通電導線附近,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。

2）貫串法貫串法是一種較實用的方法,其測量方案如圖4.57所示。該法是把鐵磁材料做成磁導體的鐵心,使被測通電導線貫串它的中央,將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導體的氣隙中,于是,可通過環(huán)形鐵心來集中磁力線。當被測導線中有電流流過時,在導線周圍就會產(chǎn)生磁場,使導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。通電導線中的電流越大,氣隙處的磁感應強度就越強,霍爾元件輸出的霍爾電壓UH就越高,根據(jù)霍爾電壓的大小,就可以得到通電導線中電流的大小。該法具有較高的測量精度。圖4.56旁測法圖4.57貫串法

結(jié)合實際應用,還可把導磁鐵心做成如圖4.47所示的鉗式形狀或非閉合磁路形狀等。

圖4.58貫串法的兩種形式 3）繞線法磁芯繞線法是又一種測量方案,其原理如圖4.59所示。它是用標準環(huán)形導磁鐵芯與霍爾集成傳感器組合而成。把被測通電導線繞在導磁鐵芯上,據(jù)有關文獻資料報道,若霍爾傳感器選用SL3501M,則每1安1匝在氣隙處可產(chǎn)生0.0056T的磁感應強度。若測量范圍是0～20A,則被測通電導線繞制9匝,便可產(chǎn)生約0～0.1T的磁感應強度。此時,SL3501M會產(chǎn)生約1.4V的電壓輸出。圖4.59繞線法

6.霍爾開關按鍵

霍爾開關按鍵是由霍爾元件裝配鍵體而成的開關電鍵?；魻栯娐酚么朋w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。 霍爾開關是一個無觸點的按鍵開關。霍爾電路具有一定的磁回差特性,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。

南京半導體器件總廠生產(chǎn)的HKJ系列霍爾開關按鍵已有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、插片式發(fā)光鍵及帶控制端的按鍵等。廣泛用于計算機的各種輸入鍵盤,各種控制設備中的控制鍵盤,各種面板上的按鍵開關,手動脈沖發(fā)生器等。其技術(shù)性能指標為：電鍵按力50g、120g、300g；按鍵全行程5±0.5mm；導通行程3±0.5mm；輸出脈沖邊沿寬度＜50ns；壽命＞107次；使用環(huán)境溫度-20～55℃。 這種無觸點開關還可以進一步開發(fā)?，F(xiàn)在最有希望的應用領域是無觸點開關的霍爾電機,由于使用了無觸點開關,因而可以作出無刷直流電動機。

7.霍爾集成傳感器的應用

1）用霍爾集成傳感器控制LED的亮、滅 用霍爾集成傳感器控制LED亮、滅的電路如圖4.60所示?；魻柤蓚鞲衅鞑捎肞ST-525,其輸出可視情況接入一個小于等于1kΩ的限流電阻,再去控制發(fā)光二極管LED的亮、滅。電路中,由于霍爾集成傳感器采用NPN集電極開路輸出形式,所以LED陽極接到電源正端。要增大LED的亮度,可以減小限流電阻，增大IF,但受霍爾集成傳感器的額定電流（十幾毫安）的限制。為此,當需要大電流時,可接入驅(qū)動晶體管。圖4.60LED亮、滅控制電路 2）用霍爾集成傳感器控制電機的通斷 用霍爾集成傳感器控制電機的通斷電路如圖4.61所示。霍爾集成傳感器采用PST-525。為了增大驅(qū)動功率,電路中接入PNP型功率晶體管V1。該電路可以直接驅(qū)動1A左右的電流負載。此例為驅(qū)動直流電動機,也可以接螺線管、燈泡等負載。圖4.61電機通斷控制電路 3）用霍爾集成傳感器進行轉(zhuǎn)數(shù)檢測 用霍爾集成傳感器檢測磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)的電路如圖4.62所示。電路中霍爾集成傳感器采用了UGN3040,輸出端接入一小功率PNP晶體管V。V輸出端B的信號極性與UGN3040輸出端A的相反,因此,該電路可以獲得相位相反的兩種信號A與B。圖4.62轉(zhuǎn)數(shù)檢測電路 4）用霍爾集成傳感器進行無觸點照明控制 用霍爾集成傳感器構(gòu)成的無觸點照明控制電路如圖4.63所示。帶有磁鋼的機械臂或設備接近霍爾集成傳感器時,系統(tǒng)將以無觸點的方式控制燈的亮、滅。由圖4.63可見,電路中霍爾集成傳感器的輸出端接有光電固態(tài)繼電器SF5D-M1,用以帶動交流100V的照明裝置的通斷。另外,SF5D-M1還起到高低壓之間的電氣隔離作用。該電路也可以控制100V交流感應電機或其他設備的通斷。圖4.63無觸點照明控制電路 5）用霍爾集成傳感器控制衛(wèi)生間照明燈 用霍爾集成傳感器控制衛(wèi)生間照明燈的電路如圖4.64所示。其工作過程為：當打開門,人進入衛(wèi)生間再關上門時,磁鋼G離開霍爾集成傳感器HG（型號為CS3020）,HG輸出高電平脈沖,觸發(fā)單穩(wěn)電路A1（型號為CC4013）,A1的1腳輸出高電平信號。這個高電平信號又觸發(fā)A2（型號為CC4013）,A2的13腳輸出高電平,經(jīng)R4加到V放大,觸發(fā)晶閘管VS導通,點亮燈H。進入衛(wèi)生間的人經(jīng)過任意一段時間,拉門出來再關上門時,磁鋼G再次離開HG,使HG輸出一正脈沖,觸發(fā)A1使其又一次輸出高電平,并使A2再次發(fā)生翻轉(zhuǎn),13腳回到低電平,V截止,引起VS截止,H熄滅。為了適應某些特殊情況,電路中特別設置了開關S。圖4.64衛(wèi)生間照明燈自動控制電路

4.6.2磁阻元件的應用

磁阻元件有使用InSb作為感磁材料的半導體磁阻元件和使用CoNi強磁體的強磁磁阻元件等,它們各有不同的特性。半導體磁阻元件通常是利用平面電極等把許多小的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。在使用半導體磁阻元件時,磁場垂直于元件受磁面。半導體磁阻元件需要磁偏,其理由是在零磁場附近磁阻靈敏度非常小。一般用永久磁鐵施加磁偏提高其靈敏度,如圖4.64所示。但過大的永久磁鐵無論是形狀還是價格都存在問題,一般選用五百至數(shù)千高斯的。由于有了磁偏,被檢測體不僅是磁鐵,也可以是強磁性體。在1T以上的磁場中,磁阻元件仍能工作。圖4.65在半導體磁阻元件上加磁偏

強磁磁阻元件的磁阻效應本質(zhì)上與半導體的磁阻效應不同,如圖4.66所示,其電阻值與磁場的大小成反比。磁阻在磁通密度達到數(shù)十至數(shù)百高斯即飽和。一般電阻值變化部分為百分之幾,這一變化量作