磁敏傳感器ysliu資料

磁敏傳感器ysliu資料第1頁/共86頁2023/4/212問題1、什么是霍爾效應(yīng)，用它來干什么？2、霍爾元件怎么使用才能起作用?提供何種激勵，讀取什么輸出？3、霍爾集成電路和霍爾元件使用上的區(qū)別？4、霍爾元件的偏置電路和驅(qū)動電路的作用？4、圖4-32、圖4-11、圖4-35第2頁/共86頁2023/4/213磁敏傳感器定義：將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。單位：1T（特斯拉）=10000Gs（高斯）地磁場：5*10E-5T心臟電磁場：10E-11T腦電波：10E-13T電動機(jī)：10E1T第3頁/共86頁2023/4/214磁敏傳感器的分類霍爾元件磁敏二極管磁敏三極管（它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點）磁敏電阻——是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。第4頁/共86頁2023/4/215第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況cdab第5頁/共86頁2023/4/216磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時的情況

作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：

EH=KHIB第6頁/共86頁2023/4/217霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab第7頁/共86頁2023/4/218磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

第8頁/共86頁2023/4/219初步的結(jié)論1、霍爾元件能干什么？-----檢測磁場、檢測磁場方向？2、霍爾元件要工作的要素——1）有磁場

2）有電流

3）讀電壓第9頁/共86頁2023/4/2110霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件磁鐵第10頁/共86頁2023/4/2111霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭第11頁/共86頁2023/4/2112霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第12頁/共86頁2023/4/2113霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F第13頁/共86頁2023/4/2114ABCDR1R2R3R4(c)等效電路霍爾元件基本結(jié)構(gòu)第14頁/共86頁2023/4/2115霍耳輸出端的端子2、2′相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子1、1′相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。第15頁/共86頁2023/4/2116霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是多少？線性區(qū)第16頁/共86頁2023/4/2117霍爾元件的特性1.特性:開關(guān)型和線性型2.材料：主要為砷化鎵（GaAs）3.特點：溫度系數(shù)小，線性好第17頁/共86頁2023/4/2118霍爾元件的偏置電路1、沒有外接電阻的電路-用于輸入電阻Ri較大的電路，采用恒壓驅(qū)動電路2、電源正端接電阻的電路-用于Ri較小的電路，采用恒流驅(qū)動3、電源負(fù)端接電阻的電路-用于Ri較小的電路，采用恒流驅(qū)動第18頁/共86頁2023/4/2119霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）

最大激勵電流IM:

由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5μA0.1mA2mA80mA

第19頁/共86頁2023/4/2120控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍耳輸出端接負(fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。第20頁/共86頁2023/4/2121第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。

線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。

線性型三端霍爾集成電路第21頁/共86頁2023/4/2122線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負(fù)。請畫出線性范圍第22頁/共86頁2023/4/2123開關(guān)型霍爾集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。第23頁/共86頁2023/4/2124開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門

施密特觸發(fā)電路

雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件Vcc輸出VoutR=2kΩ+12V123

應(yīng)用電路第24頁/共86頁2023/4/2125開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線

請按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.第25頁/共86頁?第26頁/共86頁2023/4/2127開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

BH

回差越大，抗振動干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？BRPBOP第27頁/共86頁2023/4/2128RLVACVccVccVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用

（1）霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路第28頁/共86頁2023/4/2129VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL第29頁/共86頁2023/4/21301．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成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時,霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，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、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_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外加磁場的線性感應(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、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(jié)構(gòu)如下圖?；舳€性集成傳感器第30頁/共86頁2023/4/2131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(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，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(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。第31頁/共86頁2023/4/2132

第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、

三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。

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(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測量和控制。應(yīng)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(zhuǎn)速計、無觸點開關(guān)等。第32頁/共86頁2023/4/2133

利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點：

(1)體積小，結(jié)構(gòu)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(yīng)用。

(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動態(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。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點正逐步得到克服。第33頁/共86頁2023/4/2134霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值第34頁/共86頁2023/4/2135霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第35頁/共86頁2023/4/2136霍爾特斯拉計霍爾元件第36頁/共86頁2023/4/2137霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。第37頁/共86頁2023/4/2138霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾第38頁/共86頁2023/4/2139霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號?；魻栐盆F第39頁/共86頁2023/4/2140霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

采用霍爾式無觸點電子點火裝置能較好地克服汽車合金觸點點火時間不準(zhǔn)確、觸點易燒壞、高速時動力不足等缺點。

汽車點火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭第40頁/共86頁2023/4/2141霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準(zhǔn)確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片

2-槽口

3-分電器轉(zhuǎn)軸

4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片

b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點火正時的關(guān)系

第41頁/共86頁2023/4/2142霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續(xù)）

當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。

汽車電子點火電路及波形

1—點火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3—點火線圈低壓側(cè)4—點火線圈鐵心5—點火線圈高壓側(cè)

6—分火頭

7—火花塞

a）電路

b）霍爾IC及點火線圈高壓側(cè)輸出波形

當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖?，達(dá)林頓管截止，切斷點火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲在點火線圈鐵心中的磁場能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。

第42頁/共86頁2023/4/2143汽車電子點火裝置使用的點火控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵點火總成第43頁/共86頁2023/4/2144霍爾式無刷電動機(jī)

霍爾式無刷電動機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動機(jī)使用的電刷和換向器第44頁/共86頁2023/4/2145無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

電動自行車可充電電池組無刷電動機(jī)第45頁/共86頁2023/4/2146無刷電動機(jī)在電動自行車上的應(yīng)用

無刷直流電動機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個狀態(tài)編碼信號，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點。第46頁/共86頁2023/4/2147電動自行車的無刷電動機(jī)及控制電路

去速度控制器

利用PWM調(diào)速第47頁/共86頁2023/4/2148光驅(qū)用的無刷電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)第48頁/共86頁2023/4/2149霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。第49頁/共86頁2023/4/2150霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強(qiáng)的閉合磁場。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動部件移動到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。第50頁/共86頁2023/4/2151霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT第51頁/共86頁2023/4/2152霍爾電流傳感器

將被測電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。第52頁/共86頁2023/4/2153霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實現(xiàn)的多媒體界面：I第53頁/共86頁2023/4/2154其他霍爾電流傳感器第54頁/共86頁2023/4/2155其他霍爾電流傳感器（續(xù)）第55頁/共86頁2023/4/2156霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口第56頁/共86頁2023/4/2157霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測電流的導(dǎo)線未放入鐵心時示值為零70.9A第57頁/共86頁2023/4/2158鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A第58頁/共86頁2023/4/2159

霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點,它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度,有功功率及電能參數(shù)的測量,也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。下圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖（a）是磁場強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)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(chǎn)生相對位移,霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)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(jié)構(gòu)的傳感器,其動態(tài)范圍可達(dá)5mm,分辨率為0.001mm。第59頁/共86頁2023/4/2160第60頁/共86頁2023/4/2161

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,因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計數(shù)檢測。下圖是對鋼球進(jìn)行計數(shù)的工作示意圖和電路圖當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時,傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓,該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A（μA741）放大后,驅(qū)動半導(dǎo)體三極管VT（2N5812）工作,VT輸出端便可接計數(shù)器進(jìn)行計數(shù),并由顯示器顯示檢測數(shù)值。第61頁/共86頁2023/4/2162第62頁/共86頁2023/4/2163

二、磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識別磁場的極性；體積小、電路簡單等特點，因而正日益得到重視；并在檢測、控制等方面得到普遍應(yīng)用。

第63頁/共86頁2023/4/2164（一）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)與工作原理

（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級管的PN結(jié)卻有很長的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級管用ρ=40Ω?cm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的ρ=50Ω?cm)，在它的兩端有P型和N型鍺，并引出，若γ代表長基區(qū)，則其PN結(jié)實際上是由Pγ結(jié)和Nγ結(jié)共同組成。以2ACM—1A為例，磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。第64頁/共86頁2023/4/2165+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(a)結(jié)構(gòu);(b)電路符號H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個區(qū)域，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。第65頁/共86頁2023/4/2166流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。為什么磁敏二極管會有這種特性呢?下面作一下分析。（2）磁敏二極管的工作原理

當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖iii電子孔穴復(fù)合區(qū)第66頁/共86頁2023/4/2167結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。磁敏二極管反向偏置時，則在r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。第67頁/共86頁2023/4/2168

磁電特性

在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。

圖磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個使用時（b）互補(bǔ)使用時

圖給出磁敏二極管單個使用和互補(bǔ)使用時的磁電特性曲線。B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0

3kΩREE=12V（18V）Td=20℃（a）（b）ΔU/VΔU/V第68頁/共86頁2023/4/2169磁靈敏度

磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法：（a）在恒流條件下，偏壓隨磁場而變化的電壓相對磁靈敏度（hu），即：

u

0—磁場強(qiáng)度為零時，二極管兩端的電壓；uB—磁場強(qiáng)度為B時，二極管兩端的電壓。

(b)在恒壓條件下，偏流隨磁場變化的電流相對磁靈敏度（hi），即：第69頁/共86頁2023/4/2170(c)

在給定電壓源E和負(fù)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定義如下：

應(yīng)特別注意，如果使用磁敏二極管時的情況和元件出廠的測試條件不一致時，應(yīng)重新測試其靈敏度。第70頁/共86頁2023/4/2171（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性

1．磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

（1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)

NPN型磁敏三極管是在弱P型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個結(jié)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元圖NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號a)結(jié)構(gòu)b)符號rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件,如圖。在長基區(qū)的側(cè)面制成一個復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r。長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。i第71頁/共86頁2023/4/2172（2）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）圖磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-運(yùn)輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)12第72頁/共86頁2023/4/2173當(dāng)不受磁場作用如圖(a)時，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分通過e—i—b而形成基極電流。顯而易見，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù)=Ic／Ib＜1。當(dāng)受到H＋磁場作用如圖（b）時，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降。當(dāng)受磁場使用如圖(c)時，載流子在洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。第73頁/共86頁2023/4/2174磁電特性磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3圖3BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見，在弱磁場作用時，曲線近似于一條直線。2．磁敏三極管的主要特性

第74頁/共86頁2023/4/2175（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用

由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很小，且能識別磁極性等優(yōu)點，是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。利用磁敏管可以作成磁場探測儀器—如高斯計、漏磁測量儀、地磁測量儀等。用磁敏管作成的磁場探測儀，可測量10-7T左右的弱磁場。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場，而磁場的強(qiáng)弱又取決于通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接觸方法來測量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來檢測磁場還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，因此是一種備受歡迎的電流表。此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測高達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無觸點電位器和漏磁探傷儀等。第75頁/共86頁2023/4/2176（四）、常用磁敏管的型號和參數(shù)

3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表參數(shù)單位測試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100Ω,Ib=2mA,B=0.1T5~1010~1515~2020~25>25擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A≤200≤200≤200≤200≤200最大基極電流mAEc=6VRL=5kΩ4功耗PcmmW

45使用溫度℃

-40~65℃最高溫度℃

75mA第76頁/共86頁2023/4/2177三、磁敏電阻

是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）

磁阻效應(yīng)

若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。第77頁/共86頁2023/4/2178

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(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,它可表示為：Ｂ——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ時的電阻率；ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時的電阻率；μ——載流子的遷移率。第78頁/共86頁2023/4/2179

當(dāng)材料中僅存在一種載流子時磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。