傳感器劉篤仁版第4章 磁敏傳感器 (2)課件

第4章磁敏傳感器4.1磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)——霍爾、磁阻、形狀效應(yīng)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(yīng)用思考題與習(xí)題2/6/2023

磁敏傳感器通常指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器。磁敏傳感器主要是利用霍爾效應(yīng)及磁阻效應(yīng)原理構(gòu)成的。構(gòu)成磁敏傳感器的敏感元件有霍爾元件、磁阻元件、磁敏晶體管、磁敏集成電路。2/6/20234.1磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)——霍爾、磁阻、形狀效應(yīng)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(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)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(lèi)。

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,磁敏晶體管Si應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。2/6/20232/6/2023圖7-1霍爾效應(yīng)UHbldIFLFEvB若薄片為N型，控制電流I自左向右,多數(shù)載流子電子沿與I反向運(yùn)動(dòng)，B使電子受到LorentzFL而偏轉(zhuǎn)，在后端面積累，前端面則缺少電子帶正電，前后端面間形成電場(chǎng)積累越多，電場(chǎng)越強(qiáng)…….當(dāng)FL與FE相等時(shí)的電場(chǎng)為EH，相應(yīng)的電勢(shì)為霍爾電勢(shì)UH。2/6/20234.1.2磁阻效應(yīng)將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會(huì)隨磁場(chǎng)而變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。BIBlIb2/6/2023則電阻率的相對(duì)變化為：由上式可見(jiàn)，磁場(chǎng)一定，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSb（銻化銦）和InAs（砷化銦）等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，很適合制作各種磁敏電阻元件。設(shè)電阻率的變化為:2/6/2023

磁阻的大小除了與材料有關(guān)外，還和磁敏元件的幾何形狀有關(guān)。 在考慮到形狀的影響時(shí)，電阻率的相對(duì)變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可以近似用下式表示：式中：f(l／b)為形狀效應(yīng)系數(shù)；l為磁敏元件的長(zhǎng)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(yīng)。4.1.3形狀效應(yīng)2/6/20234.2霍爾元件

4.2.1霍爾元件工作原理 霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)工作的?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果。2/6/2023 (伏·米2／(安·韋伯)，即V·m2／(A·Wb))

KH稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度。于是：UH=KHIB

(4.3)這時(shí)在薄片兩橫端面之間建立的電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)EH，相應(yīng)的電勢(shì)就稱(chēng)為霍爾電勢(shì)UH，其大小可用下式表示：(4.1)式中：RH——霍爾常數(shù)（米3／庫(kù)侖，即m3／C）； I——控制電流（安培，即A）； B——磁感應(yīng)強(qiáng)度（特斯拉，即T）； d——霍爾元件厚度（米，即m）。令：(4.2)2/6/2023

霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B?；魻栐撵`敏度KH是表征對(duì)應(yīng)于單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電壓大小的一個(gè)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(guān)。

由于半導(dǎo)體（尤其是N型半導(dǎo)體）的霍爾常數(shù)RH要比金屬的大得多，所以在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用N型半導(dǎo)體材料做霍爾元件。元件的厚度d對(duì)靈敏度的影響也很大，元件越薄，靈敏度就越高。 2/6/2023由上式可見(jiàn)，當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)的方向改變時(shí)，輸出電勢(shì)的方向也將改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍爾電勢(shì)極性不變。施加在霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)是垂直于薄片的，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向和霍爾元件的平面法線是一致的。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和元件平面法線成一角度θ時(shí)，作用在元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量（即Bcosθ）時(shí):2/6/20232/6/2023霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，它的長(zhǎng)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(chēng)為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱(chēng)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(chēng)為霍爾電極。2/6/2023 4.2.3基本電路 在電路中，霍爾元件可用如圖4.3所示的幾種符號(hào)表示。標(biāo)注時(shí)，國(guó)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(hào)。如HZ-1元件，說(shuō)明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件，說(shuō)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(jiàn)本節(jié)后面的表4.1(P84)。

圖4.3霍爾元件的符號(hào)2/6/2023 建立霍爾效應(yīng)所需的時(shí)間很短（約10-12～10-14s），因此控制電流用交流時(shí)，頻率可以很高（幾千兆赫）。

在實(shí)際應(yīng)用中，霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下工作，其特性不一樣。究竟應(yīng)用采用哪種方式，要根據(jù)用途來(lái)選擇。

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些，只適用于對(duì)精度要求不太高的地方。2/6/2023圖4.5恒壓工作的霍爾傳感器電路B=1KGs(21～55mV)2/6/2023 當(dāng)使用SHS210霍爾元件時(shí)，工作在1V、1kGs(1Gs=10-4T)時(shí)，輸出電壓為21～55mV，偏移電壓為±7%（最大）（1.47～3.85mV）。無(wú)磁場(chǎng)時(shí)偏移電壓不變，在弱磁場(chǎng)下工作不利。偏移電壓可以調(diào)整為零，但與運(yùn)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?yàn)榛魻栐斎腚娮桦S溫度變化和磁阻效應(yīng)的影響。輸入電阻的溫度系數(shù)因霍爾元件的材料型號(hào)而異，GaAs型為±0.3%／℃(最大)，InSb型為-2%／℃（最大）。2/6/2023

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(méi)有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)的影響。圖4.6恒流工作的霍爾傳感器電路50～120mV2/6/2023恒流工作時(shí)偏移電壓的穩(wěn)定性比恒壓工作時(shí)差些。特別是InSb（銻化銦）霍爾元件，由于輸入電阻的溫度系數(shù)大，偏移電壓的影響更為顯著。對(duì)電路圖中的THS103AGaAs（砷化鎵）霍爾元件，在5mA工作電流、1kGs下，輸出電壓50～120mV，此時(shí)的偏移電壓為±10%（5～12mV）。2/6/20234.2.4電磁特性霍爾元件的電磁特性包括控制電流（直流或交流）與輸出之間的關(guān)系，霍爾輸出（恒定或交變）與磁場(chǎng)之間的關(guān)系等。1.ＵH-I特性

固定磁場(chǎng)B，在一定溫度下，霍爾輸出電勢(shì)UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系（見(jiàn)圖4.9）。圖4.9霍爾元件的UH-I特性曲線2/6/2023

2.UH-B特性 固定控制電流，元件的開(kāi)路霍爾輸出隨磁場(chǎng)的增加并不完全呈線性關(guān)系，而有所偏離。通常霍爾元件工作在0.5Wb／m2以下時(shí)線性度較好，如圖4.10所示。使用中，若對(duì)線性度要求很高時(shí)，可采用HZ-4，它的線性偏離一般不大于0.2%。圖4.10霍爾元件的UH-B特性曲線2/6/20234.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償

1.不等位電勢(shì)及其補(bǔ)償 不等位電勢(shì)是一個(gè)主要的零位誤差。由于在制作霍爾元件時(shí)，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(dāng)控制電流I流過(guò)元件時(shí)，即使磁場(chǎng)強(qiáng)度B等于零，在霍爾電極上仍有電勢(shì)存在，該電勢(shì)就稱(chēng)為不等位電勢(shì)。圖4.11不等位電勢(shì)示意圖2/6/2023

電橋臂的四個(gè)電阻分別為r1、r2、r3、r4。當(dāng)兩個(gè)霍爾電極在同一等位面上時(shí)，r1=r2=r3=r4，電橋平衡，這時(shí)輸出電壓Uo等于零。當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)，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。圖4.12霍爾元件的等效電路

恢復(fù)電橋平衡的辦法是減小r2、r3。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，我們把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，如圖4.12所示。2/6/2023在制造過(guò)程中如確知霍爾電極偏離等位面的方向，就應(yīng)采用機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕元件的方法來(lái)減小不等位電勢(shì)。對(duì)已制成的霍爾元件，可以采用外接補(bǔ)償線路進(jìn)行補(bǔ)償。常用的幾種補(bǔ)償線路如圖4.13所示。2/6/2023圖4.13幾種常用補(bǔ)償方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2/6/2023

2.溫度誤差及其補(bǔ)償 由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會(huì)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(shì)等）對(duì)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(shì)的穩(wěn)定性問(wèn)題，還必須結(jié)合其它補(bǔ)償線路。2/6/2023 圖4.14所示是一種既簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償線路。它是在控制電流極并聯(lián)一個(gè)合適的補(bǔ)償電阻r0，這個(gè)電阻起分流作用。當(dāng)溫度升高時(shí)，霍爾元件的內(nèi)阻迅速增加，所以流過(guò)元件的電流減小，而流過(guò)補(bǔ)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(gè)補(bǔ)償電阻，就能自動(dòng)調(diào)節(jié)流過(guò)霍爾元件的電流大小，從而起到補(bǔ)償作用。圖4.14溫度補(bǔ)償電路2/6/2023(4.14)β是霍爾元件的內(nèi)阻溫度系數(shù)α是霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù),R0——溫度為T(mén)0時(shí)，霍爾元件的內(nèi)阻可以直接測(cè)量出來(lái)。 實(shí)踐表明，補(bǔ)償后霍爾電勢(shì)受溫度的影響極小，且這種補(bǔ)償方法對(duì)霍爾元件的其它性能并無(wú)影響，只是輸出電壓稍有降低。這顯然是由于流過(guò)霍爾元件的控制電流被補(bǔ)償電阻分流的緣故。只要適當(dāng)增大恒流源輸出電流，使通過(guò)霍爾元件的電流達(dá)到額定電流，輸出電壓就會(huì)不變。 2/6/2023霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。4.2.6霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器2/6/2023VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL2/6/2023①磁鐵軸心接近式

在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo磁鐵Ф6.4×320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí),傳感器開(kāi)關(guān)接通,而磁鐵移開(kāi)到一定距離時(shí)開(kāi)關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí),如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)作用距離作合適的選擇。

（2）給傳感器施加磁場(chǎng)的方式2/6/2023②磁鐵側(cè)向滑近式要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動(dòng)的方式在傳感器前方通過(guò)?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙2.05AlNiCo磁鐵Ф6.4×32L2距離L2/mm2/6/2023③采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍耳開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)重要方面。除選用磁感應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外，還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤(pán)在磁鐵上安裝鐵底盤(pán)示意圖2/6/2023霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等4.霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域2/6/20231．霍耳線性集成傳感器的結(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(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類(lèi)傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)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(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_(kāi)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(duì)外加磁場(chǎng)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(chǎng)、電流等的測(cè)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。4.2.7霍耳線性集成傳感器2/6/2023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(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)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(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)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。2/6/20232．霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)

傳感器的輸出特性如下圖：

磁感應(yīng)強(qiáng)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2/6/20232．霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)

傳感器的輸出特性如下圖：

2.52.01.51.00.50.040.080.120.160.200.24輸出電壓U/V磁感應(yīng)強(qiáng)度B/TSL3501M傳感器的輸出特性曲線00.280.32R=0R=15ΩR=100Ω2/6/2023（七）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件，不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面，而且在測(cè)量技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類(lèi)特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤(pán)、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。2/6/2023利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。(2)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪聲小。(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好。霍耳器件也存在轉(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。2/6/2023

4.6.1霍爾元件的應(yīng)用

1.霍爾位移傳感器 如圖4.41(a)，在極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼的氣隙中放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)元件的控制電流I恒定不變時(shí)，霍爾電勢(shì)UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。圖4.41霍爾位移傳感器的磁路結(jié)構(gòu)示意圖(a)磁路結(jié)構(gòu)；（b）磁場(chǎng)變化磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB／dx為一常數(shù)2/6/2023 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（4.16） 式(4.16)說(shuō)明，霍爾電勢(shì)與位移量成線性關(guān)系?；魻栯妱?shì)的極性反映了元件位移的方向。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度越好。當(dāng)x=0，即元件位于磁場(chǎng)中間位置上時(shí)，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。（4.15）若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB／dx為一常數(shù)（見(jiàn)圖4.40(b)），則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，霍爾電勢(shì)的變化為：2/6/2023霍爾位移傳感器一般可用來(lái)測(cè)量1～2mm的小位移。其特點(diǎn)是慣性小，響應(yīng)速度快，無(wú)接觸測(cè)量。利用這一原理還可以測(cè)量其它非電量，如力、壓力、壓差、液位、加速度等。

后面給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖2/6/2023圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)UH也等于零，此時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時(shí)UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm，分辨率為0.001mm。磁場(chǎng)強(qiáng)度相同傳感器2/6/2023圖（b）是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時(shí)，霍爾電勢(shì)UH等于零。簡(jiǎn)單的位移傳感器2/6/2023

2.霍爾壓力傳感器圖4.42是HYD型壓力傳感器。這類(lèi)霍爾壓力傳感器是把壓力先轉(zhuǎn)換成位移后，再應(yīng)用霍爾電勢(shì)與位移關(guān)系測(cè)量壓力。圖4.42HYD型壓力傳感器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(dāng)輸入壓力增加時(shí)，彈簧管伸長(zhǎng)，使處于恒定梯度磁場(chǎng)中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的位移，從霍爾元件的輸出電壓的大小即可反映出壓力的大小。其元件的位移在±1.5mm范圍內(nèi)，輸出約20mV，工作電流10mA，線性較好。2/6/2023圖4.43磁極檢測(cè)器電路

3.霍爾磁極檢測(cè)器輸出電壓大的InSb限流電阻當(dāng)用它靠近被測(cè)磁鐵時(shí)，表針就會(huì)指示出極性電流指示燈2/6/2023霍爾元件放置于磁體的氣隙中，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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)。4.霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x利用霍爾效應(yīng)測(cè)量轉(zhuǎn)速有兩種可行的方案，圖4.44(a)中將永磁體安裝在旋轉(zhuǎn)軸的軸端；2/6/2023圖4.44(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(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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)。2/6/2023圖7-16幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。2/6/2023

5.用霍爾元件測(cè)量電流 用霍爾元件測(cè)量工程上的大直流電流，往往具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、準(zhǔn)確度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。常用的測(cè)量方法有：旁測(cè)法；貫串法；繞線法等。

2/6/2023圖4.45旁測(cè)法1）旁測(cè)法旁測(cè)法是一種較簡(jiǎn)單的方法，其測(cè)量方案如圖4.45所示。將霍爾元件放置在通電導(dǎo)線附近，給霍爾元件加上控制電流，被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾輸出電壓，從而可得到被測(cè)電流的大小。該法只適宜于那些要求不很高的測(cè)量場(chǎng)合。2/6/20232）貫串法貫串法是一種較實(shí)用的方法，其測(cè)量方案如圖4.46所示。該法是把鐵磁材料做成磁導(dǎo)體的鐵心，使被測(cè)通電導(dǎo)線貫串它的中央，將霍爾元件或霍爾集成傳感器放在磁導(dǎo)體的氣隙中，于是可通過(guò)環(huán)形鐵心來(lái)集中磁力線。圖4.46貫串法2/6/2023當(dāng)被測(cè)導(dǎo)線中有電流流過(guò)時(shí)，在導(dǎo)線周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使導(dǎo)磁體鐵心磁化成一個(gè)暫時(shí)性磁鐵，在環(huán)形氣隙中就會(huì)形成一個(gè)磁場(chǎng)。通電導(dǎo)線中的電流越大，氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，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(dǎo)線中電流的大小。該法具有較高的測(cè)量精度。2/6/2023圖4.47貫串法的兩種形式（a）鉗式；（b）非閉合磁路式 結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，還可把導(dǎo)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。2/6/2023

3）繞線法磁心繞線法是又一種測(cè)量方案，其原理如圖4.48所示。它是用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形導(dǎo)磁鐵心與霍爾集成傳感器組合而成。把被測(cè)通電導(dǎo)線繞在導(dǎo)磁鐵心上，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料報(bào)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(yīng)強(qiáng)度。若測(cè)量范圍是0～20A，則被測(cè)通電導(dǎo)線繞制9匝，便可產(chǎn)生約0～0.1T的磁感應(yīng)強(qiáng)度。此時(shí)，SL3501M會(huì)產(chǎn)生約1.4V的電壓輸出。圖4.48繞線法2/6/2023

6.霍爾開(kāi)關(guān)按鍵 霍爾開(kāi)關(guān)按鍵是由霍爾元件裝配鍵體而成的開(kāi)關(guān)電鍵?；魻栯娐酚么朋w作為觸發(fā)媒介，當(dāng)磁體接近霍爾電路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)，霍爾按鍵就是依靠改變磁體的相對(duì)位置來(lái)觸發(fā)電信號(hào)的。 霍爾開(kāi)關(guān)是一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的按鍵開(kāi)關(guān)?；魻栯娐肪哂幸欢ǖ拇呕夭钐匦?，在按下按鍵過(guò)程中，即使手指有所抖動(dòng)，也不會(huì)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(jí)提供，電平的建立時(shí)間極短。因此霍爾按鍵是一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)抖動(dòng)、高可靠、長(zhǎng)壽命的按鍵開(kāi)關(guān)。 南京半導(dǎo)體器件總廠生產(chǎn)的HKJ系列霍爾開(kāi)關(guān)按鍵已有7種型號(hào)，每種型號(hào)內(nèi)又各有6個(gè)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。2/6/2023 廣泛用于計(jì)算機(jī)的各種輸入鍵盤(pán)，各種控制設(shè)備中的控制鍵盤(pán)，各種面板上的按鍵開(kāi)關(guān)，手動(dòng)脈沖發(fā)生器等。其技術(shù)性能指標(biāo)為：電鍵按力50g、120g、300g；按鍵全行程5±0.5mm；導(dǎo)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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)還可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)?，F(xiàn)在最有希望的應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的霍爾電機(jī)，由于使用了無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，因而可以作出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。2/6/2023由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開(kāi)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(kāi)路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開(kāi)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H2/6/2023

3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路（a）外型霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路1232/6/20232．霍耳開(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；舳_(kāi)關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。B霍耳開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBH0該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

2/6/2023

7.霍爾集成傳感器的應(yīng)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4.49所示。霍爾集成傳感器采用PST-525，其輸出可視情況接入一個(gè)≤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(kāi)路輸出形式，所以LED陽(yáng)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mA）的限制。為此當(dāng)需要大電流時(shí)，可接入驅(qū)動(dòng)晶體管。2/6/2023圖4.49LED亮、滅控制電路限流電阻由于霍爾集成傳感器采用NPN集電極開(kāi)路輸出形式，所以LED陽(yáng)極接到電源正端2/6/2023

2）用霍爾集成傳感器控制電機(jī)的通斷 用霍爾集成傳感器控制電機(jī)的通斷電路如圖4.50所示。霍爾集成傳感器采用PST-525。為了增大驅(qū)動(dòng)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(dòng)1A左右的電流負(fù)載。此例為驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可以接螺線管、燈泡等負(fù)載。圖4.50電機(jī)通斷控制電路2/6/2023

3）用霍爾集成傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè) 用霍爾集成傳感器檢測(cè)磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)的電路如圖4.51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的輸出端B的信號(hào)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(hào)A與B。圖4.51轉(zhuǎn)數(shù)檢測(cè)電路2/6/2023

4）用霍爾集成傳感器進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)照明控制 用霍爾集成傳感器構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)照明控制電路如圖4.52所示。帶有磁鋼的機(jī)械臂或設(shè)備接近霍爾集成傳感器時(shí)，系統(tǒng)將以無(wú)觸點(diǎn)的方式控制燈的亮、滅。由圖4.52可見(jiàn)，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(dòng)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(yīng)電機(jī)或其它設(shè)備的通斷。2/6/2023圖4.52無(wú)觸點(diǎn)照明控制電路固態(tài)繼電器帶有磁鋼的機(jī)械臂或設(shè)備接近霍爾集成傳感器時(shí)，系統(tǒng)將以無(wú)觸點(diǎn)的方式控制燈的亮、滅。光電固態(tài)固態(tài)繼電器，用以帶動(dòng)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(yīng)電機(jī)或其它設(shè)備的通斷2/6/2023（6）霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾開(kāi)關(guān)傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場(chǎng)變化，因而可對(duì)黑色金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。霍爾計(jì)數(shù)裝置的工作示意圖2/6/2023圖7-17是對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)鋼球運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)時(shí)被磁化，運(yùn)動(dòng)到SL3051時(shí)輸出峰值電壓，經(jīng)IC放大后，驅(qū)動(dòng)V輸出低；走過(guò)后V輸出高；即每過(guò)一個(gè)鋼球產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，可計(jì)數(shù)和顯示。圖7-17霍爾計(jì)數(shù)裝置的電路圖2/6/20234.3磁阻元件磁阻元件是一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的元件，也稱(chēng)MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。

磁阻效應(yīng)若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以外磁場(chǎng)，則其電阻值就增加。此種現(xiàn)象為磁致電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。2/6/2023式中：B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

μ——電子遷移率；

ρ0——零磁場(chǎng)下的電阻率；

ρB——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為：在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(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.2/6/2023則電阻率的相對(duì)變化為：由上式可見(jiàn)，磁場(chǎng)一定，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSb（銻化銦）和InAs（砷化銦）等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，很適合制作各種磁敏電阻元件。設(shè)電阻率的變化為:2/6/2023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(chēng)為幾何磁阻效應(yīng)。磁敏電阻大多采用圓盤(pán)結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)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。把l<b的扁平器件串聯(lián)起來(lái)，就會(huì)零磁場(chǎng)電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。實(shí)際制作磁阻器件時(shí)，需在l>b的長(zhǎng)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(shì).2/6/2023圖4.15長(zhǎng)方形和高靈敏度元件圖4.16在電場(chǎng)和磁場(chǎng)互相垂直的固體中電子的運(yùn)動(dòng)2/6/2023

4.3.2科爾賓元件（是最大磁阻效應(yīng)的磁阻） 科爾賓（Corbino）元件的結(jié)構(gòu)如圖4.17所示。在圓盤(pán)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(chēng)為科爾賓元件。圖4.17科爾賓元件2/6/2023 科爾賓元件的盤(pán)中心部分有一個(gè)圓形電極，盤(pán)的外沿是一個(gè)環(huán)形電極。兩個(gè)極間構(gòu)成一個(gè)電阻器，電流在兩個(gè)電極間流動(dòng)時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)作用而發(fā)生彎曲使電阻增大。在電流的橫向，電阻是無(wú)“頭”無(wú)“尾”的，因此霍爾電勢(shì)無(wú)法建立，有效地消除了霍爾電場(chǎng)的短路影響。由于不存在霍爾電場(chǎng)，電阻會(huì)隨磁場(chǎng)有很大的變化。

霍爾電勢(shì)被全部短路而不在外部出現(xiàn)，電場(chǎng)呈放射形，電流在半徑方向形成渦旋形流動(dòng)。這是可以獲得最大磁阻效應(yīng)的一種形狀。2/6/2023結(jié)構(gòu)：中心圓形電極外沿環(huán)形電極構(gòu)成一個(gè)電阻器原理：無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)路徑是沿徑向的有磁場(chǎng)時(shí)，兩極間電流會(huì)發(fā)生彎曲使電阻變大?！邎A盤(pán)形的磁阻最大?！啻蠖嘧龀蓤A盤(pán)結(jié)構(gòu)。2/6/20231靈敏度特性磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來(lái)表示，即磁場(chǎng)——電阻特性的斜率。常用K表示，在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無(wú)磁場(chǎng)情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件表現(xiàn)出來(lái)的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。（二）

磁阻元件的主要特性2/6/20232磁場(chǎng)—電阻特性

磁阻元件磁場(chǎng)—電阻特性R/Ω1000500N級(jí)0.30.20.100.10.20.3S級(jí)(a)S、N級(jí)之間電阻特性B/T15RBR0105溫度(25℃)弱磁場(chǎng)下呈平方特性變化強(qiáng)場(chǎng)下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T磁阻元件的電阻值與磁場(chǎng)的極性無(wú)關(guān)，它只隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加在0.1T以下的弱磁場(chǎng)中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過(guò)0.1T后呈現(xiàn)線性變化2/6/20233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)減小了1/2。因此在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)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2/6/2023（三）磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻可以用來(lái)作為電流傳感器、磁敏接近開(kāi)關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場(chǎng)傳感器等。可用于開(kāi)關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。2/6/20232/6/2023磁敏二極管是電特性隨外部磁場(chǎng)改變而顯著變化的器件。它是繼霍爾元件和磁阻元件之后發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體磁敏元件。磁敏二極管是一種電阻隨磁場(chǎng)的大小和方向均改變的結(jié)型二端器件。4.4磁敏二極管2/6/2023

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(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的。 磁敏二極管屬于長(zhǎng)基區(qū)二極管，是p+-i-n+型，其結(jié)構(gòu)如圖4.24所示。其中i為本征（完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體）或接近本征的半導(dǎo)體，其長(zhǎng)為L(zhǎng)，它比載流子擴(kuò)散長(zhǎng)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(dǎo)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(kuò)散雜質(zhì)或噴砂的辦法制成的高復(fù)合區(qū)稱(chēng)r區(qū)，與r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面保持光滑，為低（或無(wú)）復(fù)合面。2/6/2023圖4.24鍺磁敏二極管結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)2/6/2023

4.4.2磁敏二極管的工作原理對(duì)普通二極管，在加上正向偏置電壓U+時(shí)，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(wú)外界磁場(chǎng)影響，在外電場(chǎng)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(shuō)的雙注入長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)的空間“很大”，除少數(shù)載流子在體內(nèi)復(fù)合掉之外，大多數(shù)分別到達(dá)n+和p+區(qū)，形成電流，總電流為I=Ip+In。2/6/2023 磁敏二極管受到正向磁場(chǎng)作用時(shí)，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(fù)合區(qū)，所以進(jìn)入r區(qū)的電子和空穴很快被復(fù)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(gè)結(jié)上的電壓Up、Un則相應(yīng)減少。i區(qū)電阻進(jìn)一步增加，直到穩(wěn)定在某一值上為止。圖4.25磁敏二極管載流子受磁場(chǎng)影響情況2/6/2023相反，磁場(chǎng)改變方向，電子和空穴將向r區(qū)的對(duì)面——低（無(wú)）復(fù)合區(qū)流動(dòng)，則使載流子在i區(qū)的復(fù)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(guò)程進(jìn)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(dá)到某一穩(wěn)定值為止。2/6/20232.磁敏二極管的工作原理演示利用磁敏二極管在磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。2/6/2023

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(chǎng)時(shí)的情況，B取+或B取-表示磁場(chǎng)的方向不同。圖4.26Ge磁敏二極管的伏安特性曲線①輸出電壓一定，磁場(chǎng)為正時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，電流減小，表示磁阻增加，磁場(chǎng)為負(fù)時(shí)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度向負(fù)方向增加，電流增加，表示磁阻減小。從圖中可以看出：②同一磁場(chǎng)之下，電壓越大，輸出電流變化量也越大。。2/6/2023

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(fù)阻”現(xiàn)象，即電流急劇增加的同時(shí)，偏壓突然跌落；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(mǎn)復(fù)合中心前不會(huì)產(chǎn)生較大電流。只有當(dāng)填滿(mǎn)復(fù)合中心后電流才開(kāi)始增加，同時(shí)i區(qū)壓降減少，表現(xiàn)為負(fù)阻特性。圖4.27Si磁敏二極管的伏安特性曲線2/6/2023

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(chǎng)的關(guān)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。

常有單只使用和互補(bǔ)使用兩種方式。2/6/2023圖4.28磁敏二極管的磁電特性曲線單個(gè)使用時(shí)，正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V2/6/2023

互補(bǔ)使用時(shí)，正向特性與反向特性曲線基本對(duì)稱(chēng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，曲線有飽和趨勢(shì)；在弱磁場(chǎng)下，曲線有很好的線性。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V2/6/2023

3.溫度特性 溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(gè)使用）的溫度特性曲線2/6/2023 反映溫度特性的好環(huán)，可用U0和ΔU溫度系數(shù)來(lái)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)2/6/2023

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(chǎng)變化，電壓相對(duì)磁靈敏度SU為：

式中：U0是磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓；UB是磁場(chǎng)強(qiáng)度為B時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓。SU的測(cè)量電路如圖4.30所示。圖4.30電壓相對(duì)磁靈敏度測(cè)量電路2/6/2023 式中：I0是給定偏壓下，磁場(chǎng)為零時(shí)，通過(guò)磁敏二極管的電流；IB是給定偏壓下，磁場(chǎng)為B時(shí)，通過(guò)磁敏二極管的電流。SI的測(cè)量電路如圖4.31所示。（2）在恒壓條件下，偏流隨磁場(chǎng)變化，電流相對(duì)磁靈敏度SI為：圖4.31電流相對(duì)磁靈敏度測(cè)量電路2/6/2023 式中：U0、I0是磁場(chǎng)為零時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓和流過(guò)的電流；UB、IB是磁場(chǎng)為B時(shí)，磁敏二極管兩端的電壓和通過(guò)的電流。 （3）按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，在給定電源E和負(fù)載電阻R的條件下，電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度被定義為：圖4.32標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法電路原理圖2/6/2023

4.4.4磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)

1.互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路 互補(bǔ)式溫度補(bǔ)償電路如圖4.33(a)所示。 使用該電路時(shí)，應(yīng)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(duì)或相背重疊放置，或選用磁敏對(duì)管，將兩只管子串接在電路上。 圖4.33溫度補(bǔ)償電路2/6/2023圖4.33溫度補(bǔ)償電路2.熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路如圖4.33(b)所示。2/6/20234.5磁敏三極管分類(lèi)：有:n-p-n型和p-n-p型磁敏三極管，按材料又可分為：Ge板條式Si平面式磁敏三極管2/6/20234.5.1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(hào)如圖4.34所示。它是在弱P型準(zhǔn)本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)極。有發(fā)射極e、基極b、集電極c。相當(dāng)于在磁敏二極管長(zhǎng)基區(qū)的一個(gè)側(cè)面制成一個(gè)高復(fù)合區(qū)r。圖4.34NPN型Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)2/6/2023

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(guò)二次硼擴(kuò)散工藝，分別形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，然后擴(kuò)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)2/6/2023

4.5.2磁敏三極管的工作原理 如圖4.36（a）所示，當(dāng)不受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁敏三極管基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)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(guò)e-i-b，形成基極電流。由此可見(jiàn)，基極電流大于集電極電流，所以電流放大倍數(shù)β=Ic／Ib＜1。

圖4.36磁敏三極管工作原理示意圖2/6/2023圖4.36磁敏三極管工作原理示意圖如圖4.36(b)所示，當(dāng)受到H+磁場(chǎng)作用時(shí)，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。2/6/2023圖4.36磁敏三極管工作原理示意圖

當(dāng)受到H-磁場(chǎng)作用時(shí)，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。

2/6/2023由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)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(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。2/6/2023 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(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的伏安特性；圖4.37磁敏三極管的伏安特性曲線2/6/2023圖4.37磁敏三極管的伏安特性曲線圖4.37（b）為在恒流條件下，Ib=3mA，磁場(chǎng)為正、負(fù)1kGs時(shí)集電極電流Ic的變化情況。

2/6/2023 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(jiàn)，在弱磁場(chǎng)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可利用這一線性關(guān)系測(cè)量磁場(chǎng)。2/6/2023圖4.393BCM磁敏三極管的溫度特性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(shí)的溫度特性曲線，圖4.39(b)為基極恒流時(shí)的溫度特性曲線。