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——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2/6/2023

磁敏傳感器通常指電參數按一定規(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及磁阻效應原理構成的。構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——霍爾、磁阻、形狀效應磁敏式傳感器都是利用半導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。按其結構可分為體型和結型兩大類。

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。

結型的有磁敏二極管Ge、Si,磁敏晶體管Si應用范圍可分為模擬用途和數字用途。2/6/20232/6/2023圖7-1霍爾效應UHbldIFLFEvB若薄片為N型，控制電流I自左向右,多數載流子電子沿與I反向運動，B使電子受到LorentzFL而偏轉，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積累越多，電場越強…….當FL與FE相等時的電場為EH，相應的電勢為霍爾電勢UH。2/6/20234.1.2磁阻效應將一載流導體置于外磁場中，除了產生霍爾效應外，其電阻也會隨磁場而變化。這種現象稱為磁致電阻效應，簡稱為磁阻效應。BIBlIb2/6/2023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（銻化銦）和InAs（砷化銦）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。設電阻率的變化為:2/6/2023

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；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象，叫形狀效應。4.1.3形狀效應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工作的。霍爾效應的產生是由于運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果。2/6/2023 (伏·米2／(安·韋伯)，即V·m2／(A·Wb))

KH稱為霍爾元件的靈敏度。于是：UH=KHIB

(4.3)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：(4.1)式中：RH——霍爾常數（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：(4.2)2/6/2023

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，一般要求它越大越好。KH與元件材料的性質和幾何尺寸有關。

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。 2/6/2023由上式可見，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。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）時:2/6/20232/6/2023霍爾片是一塊半導體單晶薄片(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，通常用紅色導線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，其焊接處稱為霍爾電極。2/6/2023 4.2.3基本電路 在電路中，霍爾元件可用如圖4.3所示的幾種符號表示。標注時，國產器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數字代表產品序號。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見本節(jié)后面的表4.1(P84)。

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

在實際應用中，霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下工作，其特性不一樣。究竟應用采用哪種方式，要根據用途來選擇。

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為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）。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，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應的影響。圖4.6恒流工作的霍爾傳感器電路50～120mV2/6/2023恒流工作時偏移電壓的穩(wěn)定性比恒壓工作時差些。特別是InSb（銻化銦）霍爾元件，由于輸入電阻的溫度系數大，偏移電壓的影響更為顯著。對電路圖中的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）與輸出之間的關系，霍爾輸出（恒定或交變）與磁場之間的關系等。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）。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?；魻栐ぷ髟?.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4.10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。圖4.11不等位電勢示意圖2/6/2023

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。圖4.12霍爾元件的等效電路

恢復電橋平衡的辦法是減小r2、r3。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。2/6/2023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。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。2/6/2023圖4.13幾種常用補償方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2/6/2023

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（如內阻、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，還必須結合其它補償線路。2/6/2023 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。這樣利用元件內阻的溫度特性和一個補償電阻，就能自動調節(jié)流過霍爾元件的電流大小，從而起到補償作用。圖4.14溫度補償電路2/6/2023(4.14)β是霍爾元件的內阻溫度系數α是霍爾電勢的溫度系數,R0——溫度為T0時，霍爾元件的內阻可以直接測量出來。 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。 2/6/2023霍耳開關集成傳感器是利用霍耳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，并以開關信號形式輸出?；舳_關集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。4.2.6霍耳開關集成傳感器2/6/2023VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關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關集成傳感器的L1-B關系曲線NSAlNiCo磁鐵Ф6.4×320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1磁感強度衰減很快。當磁鐵向傳感器接近到一定位置時,傳感器開關接通,而磁鐵移開到一定距離時開關關斷。應用時,如果磁鐵已選定,則應按具體的應用場合,對作用距離作合適的選擇。

（2）給傳感器施加磁場的方式2/6/2023②磁鐵側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。磁鐵以滑近移動的方式在傳感器前方通過?；舳_關集成傳感器的L2-B關系曲線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強度在霍耳開關應用時，提高激勵傳感器的磁感應強度是一個重要方面。除選用磁感應強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傳感器的磁感應強度。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在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖2/6/2023霍耳開關集成傳感器的應用領域：點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉速、里程測定、機械設備的限位開關、按鈕開關、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等4.霍耳開關集成傳感器的應用領域2/6/20231．霍耳線性集成傳感器的結構及工作原理

霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當外加磁場時,霍耳元件產生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經放大器放大后輸出。在實際電路設計中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調調整和線性度調整等電路。霍耳開關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外加磁場的線性感應。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、電流等的測量或控制?；舳€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結構如下圖。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構框圖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構框圖單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應，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。其典型產品是SL3501T。

雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調調零。其典型產品是SL3501M。2/6/20232．霍耳線性集成傳感器的主要技術特性(1)

傳感器的輸出特性如下圖：

磁感應強度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磁感應強度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用利用霍耳效應制作的霍耳器件，不僅在磁場測量方面，而且在測量技術、無線電技術、計算技術和自動化技術等領域中均得到了廣泛應用。利用霍耳電勢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，對磁量以及其他可轉換成磁量的電量、機械量和非電量等進行測量和控制。應用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉速計、無觸點開關等。2/6/2023利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點：(1)體積小，結構簡單、堅固耐用。(2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應用。(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動態(tài)特性好?；舳骷泊嬖谵D換效率低和受溫度影響大等明顯缺點。但是，由于新材料新工藝不斷出現，這些缺點正逐步得到克服。2/6/2023

4.6.1霍爾元件的應用

1.霍爾位移傳感器 如圖4.41(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。圖4.41霍爾位移傳感器的磁路結構示意圖(a)磁路結構；（b）磁場變化磁場在一定范圍內沿x方向的變化梯度dB／dx為一常數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果。（4.15）若磁場在一定范圍內沿x方向的變化梯度dB／dx為一常數（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：2/6/2023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。

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）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0，因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零，此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結構的傳感器，其動態(tài)范圍可達5mm，分辨率為0.001mm。磁場強度相同傳感器2/6/2023圖（b）是一種結構簡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，霍爾電勢UH等于零。簡單的位移傳感器2/6/2023

2.霍爾壓力傳感器圖4.42是HYD型壓力傳感器。這類霍爾壓力傳感器是把壓力先轉換成位移后，再應用霍爾電勢與位移關系測量壓力。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生相應的位移，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，輸出約20mV，工作電流10mA，線性較好。2/6/2023圖4.43磁極檢測器電路

3.霍爾磁極檢測器輸出電壓大的InSb限流電阻當用它靠近被測磁鐵時，表針就會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，當軸轉動時，霍爾元件輸出的電壓則包含有軸轉速的信息。將霍爾元件輸出電壓經處理電路處理后，便可求得轉速的數據。4.霍爾轉速測量儀利用霍爾效應測量轉速有兩種可行的方案，圖4.44(a)中將永磁體安裝在旋轉軸的軸端；2/6/2023圖4.44(b)中是將永磁體安裝在旋轉軸的軸側。

霍爾元件放置于磁體的氣隙中，當軸轉動時，霍爾元件輸出的電壓則包含有軸轉速的信息。將霍爾元件輸出電壓經處理電路處理后，便可求得轉速的數據。2/6/2023圖7-16幾種霍爾式轉速傳感器的結構轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，轉盤隨之轉動，固定在轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數，便可知被測轉速。根據磁性轉盤上小磁鐵數目多少就可確定傳感器測量轉速的分辨率。2/6/2023

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，往往具有結構簡單、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。

2/6/2023圖4.45旁測法1）旁測法旁測法是一種較簡單的方法，其測量方案如圖4.45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，被測電流產生的磁場將使霍爾元件產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。2/6/20232）貫串法貫串法是一種較實用的方法，其測量方案如圖4.46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。圖4.46貫串法2/6/2023當被測導線中有電流流過時，在導線周圍就會產生磁場，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。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。2/6/2023

3）繞線法磁心繞線法是又一種測量方案，其原理如圖4.48所示。它是用標準環(huán)形導磁鐵心與霍爾集成傳感器組合而成。把被測通電導線繞在導磁鐵心上，據有關文獻資料報道，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，便可產生約0～0.1T的磁感應強度。此時，SL3501M會產生約1.4V的電壓輸出。圖4.48繞線法2/6/2023

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。霍爾電路用磁體作為觸發(fā)媒介，當磁體接近霍爾電路時，產生一個電平信號，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?；魻栯娐肪哂幸欢ǖ拇呕夭钐匦裕诎聪掳存I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的HKJ系列霍爾開關按鍵已有7種型號，每種型號內又各有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。2/6/2023 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。2/6/2023由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、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工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。霍耳開關集成傳感器的結構及工作原理霍耳開關集成傳感器內部結構框圖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）應用電路（a）外型霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路1232/6/20232．霍耳開關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，這對開關動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度?；舳_關集成傳感器的技術參數：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。B霍耳開關集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBH0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)。

2/6/2023

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4.49所示。霍爾集成傳感器采用PST-525，其輸出可視情況接入一個≤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mA）的限制。為此當需要大電流時，可接入驅動晶體管。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集電極開路輸出形式，所以LED陽極接到電源正端2/6/2023

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4.50所示。霍爾集成傳感器采用PST-525。為了增大驅動功率，電路中接入PNP型功率晶體管V1。該電路可以直接驅動1A左右的電流負載。此例為驅動直流電動機，也可以接螺線管、燈泡等負載。圖4.50電機通斷控制電路2/6/2023

3）用霍爾集成傳感器進行轉數檢測 用霍爾集成傳感器檢測磁轉子轉數的電路如圖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4.51轉數檢測電路2/6/2023

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成的無觸點照明控制電路如圖4.52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4.52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交流感應電機或其它設備的通斷。2/6/2023圖4.52無觸點照明控制電路固態(tài)繼電器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。光電固態(tài)固態(tài)繼電器，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交流感應電機或其它設備的通斷2/6/2023（6）霍爾計數裝置霍爾開關傳感器SL3501具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進行計數檢測?；魻栍嫈笛b置的工作示意圖2/6/2023圖7-17是對鋼球進行計數的工作示意圖和電路圖。當鋼球運動到磁場時被磁化，運動到SL3051時輸出峰值電壓，經IC放大后，驅動V輸出低；走過后V輸出高；即每過一個鋼球產生一個負脈沖，可計數和顯示。圖7-17霍爾計數裝置的電路圖2/6/20234.3磁阻元件磁阻元件是一種電阻隨磁場變化而變化的元件，也稱MR元件。它的理論基礎為磁阻效應。

磁阻效應若給通以電流的金屬或半導體材料的薄片加以外磁場，則其電阻值就增加。此種現象為磁致電阻效應，簡稱為磁阻效應。2/6/2023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。當溫度恒定時，在弱磁場范圍內，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：在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導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（銻化銦）和InAs（砷化銦）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。設電阻率的變化為:2/6/2023磁阻效應還與樣品的形狀、尺寸密切相關。這種與樣品形狀、尺寸有關的磁阻效應稱為幾何磁阻效應。磁敏電阻大多采用圓盤結構。長方形磁阻器件只有在l<b的條件下，才表現出較高的靈敏度。把l<b的扁平器件串聯(lián)起來，就會零磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。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.2/6/2023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2/6/2023

4.3.2科爾賓元件（是最大磁阻效應的磁阻） 科爾賓（Corbino）元件的結構如圖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，將具有這種結構的磁阻元件稱為科爾賓元件。圖4.17科爾賓元件2/6/2023 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，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。2/6/2023結構：中心圓形電極外沿環(huán)形電極構成一個電阻器原理：無磁場時，載流子的運動路徑是沿徑向的有磁場時，兩極間電流會發(fā)生彎曲使電阻變大?！邎A盤形的磁阻最大?！啻蠖嘧龀蓤A盤結構。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強度下的電阻變化率來表示，即磁場——電阻特性的斜率。常用K表示，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為在施加0.3T磁感應強度時磁阻元件表現出來的電阻值，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—電阻特性

磁阻元件磁場—電阻特性R/Ω1000500N級0.30.20.100.10.20.3S級(a)S、N級之間電阻特性B/T15RBR0105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強場下呈直線特性變化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的極性無關，它只隨磁場強度的增加而增加在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現平方特性，而超過0.1T后呈現線性變化2/6/20233電阻——溫度特性

下圖是一般半導體磁阻元件的電阻——溫度特性曲線，從圖中可以看出，半導體磁阻元件的溫度特性不好。圖中的電阻值在35℃的變化范圍內減小了1/2。因此在應用時，一般都要設計溫度補償電路。10384210242106-4002060100溫度/℃電阻變化率%半導體元件電阻-溫度特性曲線2/6/2023（三）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?？捎糜陂_關電源、UPS、變頻器、伺服馬達驅動器、家庭網絡智能化管理、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。2/6/20232/6/2023磁敏二極管是電特性隨外部磁場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)展起來的一種新型半導體磁敏元件。磁敏二極管是一種電阻隨磁場的大小和方向均改變的結型二端器件。4.4磁敏二極管2/6/2023

4.4.1磁敏二極管的結構 磁敏二極管是利用磁阻效應進行磁電轉換的。 磁敏二極管屬于長基區(qū)二極管，是p+-i-n+型，其結構如圖4.24所示。其中i為本征（完全純凈的、結構完整的半導體晶體）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)一側用擴散雜質或噴砂的辦法制成的高復合區(qū)稱r區(qū)，與r區(qū)相對的另一側面保持光滑，為低（或無）復合面。2/6/2023圖4.24鍺磁敏二極管結構及電路符號2/6/2023

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)的空穴和電子數基本是相等的。由于運動的空間“很大”，除少數載流子在體內復合掉之外，大多數分別到達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作用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向r區(qū)偏轉，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。圖4.25磁敏二極管載流子受磁場影響情況2/6/2023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。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強度和方向的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實現磁電轉換。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時的情況，B取+或B取-表示磁場的方向不同。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。從圖中可以看出：②同一磁場之下，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）中出現了“負阻”現象，即電流急劇增加的同時，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)的載流子在未填滿復合中心前不會產生較大電流。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，表現為負阻特性。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。

常有單只使用和互補使用兩種方式。2/6/2023圖4.28磁敏二極管的磁電特性曲線單個使用時，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。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2/6/2023 反映溫度特性的好環(huán)，可用U0和ΔU溫度系數來表示。其參數大小如表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，偏壓隨磁場變化，電壓相對磁靈敏度SU為：

式中：U0是磁場強度為零時，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2/6/2023 式中：I0是給定偏壓下，磁場為零時，通過磁敏二極管的電流；IB是給定偏壓下，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。（2）在恒壓條件下，偏流隨磁場變化，電流相對磁靈敏度SI為：圖4.31電流相對磁靈敏度測量電路2/6/2023 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。 （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：圖4.32標準測試方法電路原理圖2/6/2023

4.4.4磁敏二極管的補償技術

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。 圖4.33溫度補償電路2/6/2023圖4.33溫度補償電路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。2/6/20234.5磁敏三極管分類：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磁敏三極管的結構1.Ge磁敏三極管的結構Ge磁敏三極管的結構及電路符號如圖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)的一個側面制成一個高復合區(qū)r。圖4.34NPN型Ge磁敏三極管的結構和電路符號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，其結構如圖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磁敏三極管的結構2/6/2023

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)寬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)一側偏轉，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)一側偏轉，使集電極電流Ic增大。

2/6/2023由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場作用下，其集電極電流出現明顯變化。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）為無磁場作用時的伏安特性；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，磁場為正、負1kGs時集電極電流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，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可利用這一線性關系測量磁場。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）為基極恒壓時的溫度特性曲線，圖4.39(b)為基極恒流時的溫度特性曲線。