第4章磁敏传感器

会计学1第4章磁敏传感器

磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由公式表示为 该式表示运动电荷e从电场E受到的力和磁场（磁感应强度B）存在时电流ev(v为电荷速度)所受到的力,其中第二项称为洛伦兹力。与这个洛伦兹力相抗衡而产生的相反方向的电动势就是后面我们将要介绍的霍尔电压。

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电感L、电流I与它们产生的磁束Φ之间的关系可表示为

Φ=LI

当磁束有变化时,在与其相交的电路中将产生的电动势为

第2页/共158页 4.1.2霍尔效应 有一如图4.1所示的半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。

第3页/共158页图4.1霍尔效应原理图第4页/共158页 4.1.3磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况,理论推出磁阻效应的表达式为 ρB=ρ0(1+0.273μ2B2)

式中：B——磁感应强度；

μ——电子迁移率；

ρ0——零磁场下的电阻率；

ρB——磁感应强度为B时的电阻率。第5页/共158页

设电阻率的变化为Δρ=ρB-ρ0,则电阻率的相对变化为 由上式可见,磁场一定,迁移率高的材料磁阻效应明显。

InSb和InAs等半导体的载流子迁移率都很高,很适合制作各种磁敏电阻元件。第6页/共158页 4.1.4形状效应 磁阻的大小除了与材料有关外,还和磁敏元件的几何形状有关。 在考虑到形状的影响时,电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：

式中：f(l／b)为形状效应系数；l为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象,叫形状效应。第7页/共158页4.2霍尔元件 4.2.1霍尔元件工作原理 霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。第8页/共158页 如图4.1所示,假设在N型半导体薄片上通以电流I,那么,半导体中的载流子（电子）将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B,则由于洛伦兹力fL(fL=evB。e：电子电量；v：电子速度；B：磁感应强度)的作用,电子向一边偏转（图中虚线方向）,并使该边形成电子积累,而另一边则积累正电荷,于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转,当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUH／l)与洛伦兹力fL相等时,电子的积累便达到动态平衡。第9页/共158页

这时,在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势就称为霍尔电势UH,其大小可用下式表示： (4.1)

式中：RH——霍尔常数（米3／库仑,即m3／C）；

I——控制电流（安培,即A）；

B——磁感应强度（特斯拉,即T）；

d——霍尔元件厚度（米,即m）。 令 (伏·米2／(安·韦伯),即V·m2／(A·Wb))(4.2)

KH称为霍尔元件的灵敏度。于是UH=KHIB(4.3)第10页/共158页

由上式可知,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数,一般要求它越大越好。KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体（尤其是N型半导体）的霍尔常数RH要比金属的大得多,所以在实际应用中,一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。元件的厚度d对灵敏度的影响也很大,元件越薄,灵敏度就越高。 由式（4.3）可见,当控制电流的方向或磁场的方向改变时,输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势极性不变。第11页/共158页

需要指出的是,在上述公式中,施加在霍尔元件上的磁感应强度为B的磁场是垂直于薄片的,即磁感应强度B的方向和霍尔元件的平面法线是一致的。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度θ时,作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcosθ）,这时,UH=KHIBcosθ。

4.2.2霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成,见图4.2。在长边的两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1,1′）,在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引线（见图中2,2′）。焊接处要求接触电阻小,且呈纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。第12页/共158页图4.2霍尔元件示意图第13页/共158页 4.2.3基本电路 通常,在电路中,霍尔元件可用如图4.3所示的几种符号表示。标注时,国产器件常用H代表霍尔元件,后面的字母代表元件的材料,数字代表产品序号。如HZ-1元件,说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件,说明是用锑化铟材料制成的元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表4.1。 图4.4示出了霍尔元件的基本电路。控制电流由电源E供给；R为调节电阻,用于调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf可以是一般电阻,也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下,负载上就有电压输出。在实际使用时,I、B或两者同时作为信号输入,而输出信号则正比于I或B,或正比于两者的乘积。第14页/共158页图4.3霍尔元件的符号第15页/共158页图4.4霍尔元件的基本电路第16页/共158页

建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12～10-14s）,因此控制电流用交流时,频率可以很高（几千兆赫）。

在实际应用中,霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作,其特性不一样。究竟应用采用哪种方式，要根据用途来选择。

1.恒压工作 如图4.5所示,恒压工作比恒流工作的性能要差些,只适用于对精度要求不太高的地方。

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当使用SHS210霍尔元件时,工作在1V、1kGs(1Gs=10-4T)时,输出电压为21～55mV,偏移电压为±7%（最大）（1.47～3.85mV）。无磁场时偏移电压不变,在弱磁场下工作不利。偏移电压可以调整为零,但与运算放大器一样,并不能去除其漂移成分。 在恒压条件下性能不好的主要原因为霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。输入电阻的温度系数因霍尔元件的材料型号而异,GaAs型为±0.3%／℃(最大),InSb型为-2%／℃（最大）。第18页/共158页图4.5恒压工作的霍尔传感器电路第19页/共158页

恒压工作的控制电流为

Rsr为霍尔元件的输入电阻。 对GaAs霍尔元件而言,温度上升则电阻值变大（+0.3%／℃）,控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化-0.3%／℃(最大),加上若恒流工作时恒流源自身变化-0.06%／℃,其温度特性就显得很不好。对于InSb霍尔元件而言,若恒压工作时恒压源自身的温度系数为-2%／℃（最大）,与电阻变化的+2%／℃相互抵消,则元件的温度系数反而变小。第20页/共158页 2.恒流工作 为了充分发挥霍尔传感器的性能,最好使用恒流源供电,即恒流工作,电路如图4.6所示。在恒流工作下,没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。 恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差些。特别是InSb霍尔元件,由于输入电阻的温度系数大,偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103AGaAs霍尔元件,在5mA工作电流、1kGs下,输出电压50～120mA，此时的偏移电压为±10%（5～12mV）。第21页/共158页图4.6恒流工作的霍尔传感器电路第22页/共158页 3.差分放大 霍尔元件的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏,需要用放大电路放大其输出电压。图4.7所示为放大电路的一个例子。霍尔元件是四端器件,为了去除同相电压,需要使用差分放大器。在图4.7（a）中,使用一个运算放大器时,霍尔元件的输出电阻大于运算放大器的输入电阻,这样就会产生误差。图4.7(b)中使用三个运算放大器,则没有这个问题。第23页/共158页图4.7霍尔传感器的测量电路第24页/共158页图4.7霍尔传感器的测量电路第25页/共158页

在图4.7中,霍尔传感器的输出电压既可以是交流也可以是直流。若只是交流,则可使用图4.8所示的电路形式。在这种电路中,直流成分被电容隔离。对于图4.8(a)所示电路,R2的值很大,应选用漏电流小的电容。由于C2的漏电流大,而C1几乎没有电流,其差表现为偏移电压。在图4.8(b)所示电路中,C1和C2的漏电流相等,漏电流的影响被减轻。在图4.8(c)所示电路中,电容上几乎没有直流电压成分,故漏电流为最小,且放大器的输入电阻值很大。第26页/共158页图4.8霍尔传感器的输出为交流时的放大电路第27页/共158页图4.8霍尔传感器的输出为交流时的放大电路第28页/共158页图4.8霍尔传感器的输出为交流时的放大电路第29页/共158页

4.2.4电磁特性 霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系,霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系等。

1.ＵH-I特性 固定磁场B,在一定温度下,霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系（见图4.9）。直线的斜率称为控制电流灵敏度,用KI表示。按照定义,控制电流灵敏度KI为 （4.4） 由UH=KHIB,可得到 KI=KHB(4.5)第30页/共158页

由上式可知,霍尔元件的灵敏度KH越大,控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大的元件,其霍尔输出并不一定大。这是因为霍尔电势在B固定时,不但与KH有关,还与控制电流有关。因此,即使灵敏度不大的元件,如果在较大的控制电流下工作,那么同样可以得到较大的霍尔输出。

2.UH-B特性 固定控制电流,元件的开路霍尔输出随磁场的增加并不完全呈线性关系,而有所偏离。通常,霍尔元件工作在0.5Wb／m2以下时线性度较好,如图4.10所示。使用中,若对线性度要求很高时,可采用HZ-4,它的线性偏离一般不大于0.2%。第31页/共158页图4.9霍尔元件的UH-I特性曲线第32页/共158页图4.10霍尔元件的UH-B特性曲线第33页/共158页

4.2.5误差分析及误差补偿

1.不等位电势及其补偿 不等位电势是一个主要的零位误差。由于在制作霍尔元件时,不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上,如图4.11所示,因此,当控制电流I流过元件时,即使磁场强度B等于零,在霍尔电极上仍有电势存在,该电势就称为不等位电势。在分析不等位电势时,我们把霍尔元件等效为一个电桥,如图4.12所示。电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4,电桥平衡,这时,输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时,如图4.11所示,因r3增大,r4减小,则电桥失去平衡,因此,输出电压Uo就不等于零。恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向,就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不等位电势。第34页/共158页图4.11不等位电势示意图第35页/共158页图4.12霍尔元件的等效电路第36页/共158页

对已制成的霍尔元件,可以采用外接补偿线路进行补偿。常用的几种补偿线路如图4.13所示。第37页/共158页图4.13不等位电势的几种补偿线路第38页/共158页 2.温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化,因此,霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）对温度的变化也是很灵敏的。为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件（如砷化铟）或采用恒温措施外,用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题,还必须结合其它补偿线路。第39页/共158页

图4.14所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制电流极并联一个合适的补偿电阻r0,这个电阻起分流作用。当温度升高时,霍尔元件的内阻迅速增加,所以流过元件的电流减小,而流过补偿电阻r0的电流却增加。这样,利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻,就能自动调节流过霍尔元件的电流大小,从而起到补偿作用。r0的大小可通过以下的推导求得。第40页/共158页图4.14温度补偿电路第41页/共158页

设在某一基准温度T0时有以下关系： I=IH0+I0(4.6) (4.7)

式中：I——

恒流源输出电流；

IH0——

温度为T0时,霍尔元件的控制电流；

I0——

温度为T0时,通过补偿电阻的电流；

R0——

温度为T0时,霍尔元件的内阻；

r0——

温度为T0时的补偿电阻。 当温度升到T时,同理可得 （4.8）

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式中：R是当温度为T时霍尔元件的内阻,R=R0（1+βt）(β是霍尔元件的内阻温度系数；t=T-T0,为相对于基准温度的温差)；r是当温度为T时补偿电阻的阻值,r=r0(1+δt)(δ是补偿电阻的温度系数)。 当温度为T0时,霍尔电势为 UH0=KH0IH0B（4.9） 式中,KH0是当温度为T0时霍尔元件的灵敏度。 设KH=KH0（1+αt）,当温度为T时,霍尔电势为UH=KHIHB=KH0（1+αt）IHB(4.10)第43页/共158页

式中：KH是当温度为T时霍尔元件的灵敏度；α是霍尔电势的温度系数。 如果在补偿以后,输出霍尔电势不随温度变化,也就是满足以下条件：

UH=UH0（4.11）第44页/共158页

说明霍尔电势的温度误差得到了全补偿。即有 KH0（1+αt）IHB=KH0IH0B

于是 (1+αt)IH=IH

0

由式（4.7）和式（4.8）,并将r、R用r0、R0表示,得

(4.12)

将式（4.12）左边展开,并略去αδt2项（温差t＜100℃时,因α、δ很小,故此项很小）,则 r0α=R0(β-α-δ)第45页/共158页

因为α、δ比β小得多,即 α<<β,δ<<β

所以式（4.13）可近似为 (4.14)

通过上式就可以确定补偿电阻r0的大小。当霍尔元件给定后,霍尔元件的内阻温度系数β和霍尔电势的温度系数α可以从元件的参数表中查到,而元件的内阻R0则可以直接测量出来。 第46页/共158页

实践表明,补偿后霍尔电势受温度的影响极小,且这种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响,只是输出电压稍有降低。这显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流,使通过霍尔元件的电流达到额定电流,输出电压就会不变。 表4.1列出了常用霍尔元件的特性参数。

第47页/共158页表4.1常用霍尔元件的特性参数第48页/共158页4.3磁阻元件 4.3.1长方形磁阻元件 长方形磁阻元件的结构如图4.15所示,其长度L大于宽度b,在两端部制成电极,构成两端器件。 长方形磁阻元件的工作原理是：在固体中由于杂质原子和晶格振动,阻碍电子运动,由于这种阻碍的存在,使电子运动速度可减到零。电子运动的轨道如图4.16所示。不难看出,载流子因为是弧形运动,在磁场中走过的路程增加,它们受到阻碍的程度也就增加,从而引起电阻率的增加。第49页/共158页图4.15长方形和高灵敏度元件第50页/共158页图4.16在电场和磁场互相垂直的固体中电子的运动第51页/共158页 4.3.2科尔宾元件 科尔宾（Corbino）元件的结构如图4.17所示。在圆盘形元件的外圆周边和中心处,装上电流电极,将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。第52页/共158页图4.17科尔宾元件第53页/共158页

科尔宾元件的盘中心部分有一个圆形电极,盘的外沿是一个环形电极。两个极间构成一个电阻器,电流在两个电极间流动时,载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大。在电流的横向,电阻是无“头”无“尾”的,因此霍尔电势无法建立,有效地消除了霍尔电场的短路影响。由于不存在霍尔电场,电阻会随磁场有很大的变化。 霍尔电势被全部短路而不在外部出现,电场呈放射形,电流在半径方向形成涡旋形流动。这是可以获得最大磁阻效应的一种形状。第54页/共158页 4.3.3平面电极元件 将长方形的L／b减小,磁阻效应R／R0也就变大,零磁场的电阻R0也变小,但由磁场而引起的阻值的变化量ΔR（ΔR=R-R0

）不会变大。往往以电压的变化来作为实际的输出,而电压的变化用ΔR与电流的乘积来表示。为了加大磁阻效应就要使电阻变大。从原理上讲,如果把L／b比值小的元件多个串联,就能解决问题。尽管这样的结构较好,但是制作困难,不能实用。第55页/共158页

平面电极元件的结构如图4.18所示,电极配置成平面状。这种结构的磁阻效应比在元件的端面上配置电极的结构要稍差一些,但可应用镀膜技术和光刻技术,在同一块基片上同时、大量制造这种元件。 通常以研磨或镀膜的办法制成InSb（锑化铟）薄膜。使用研磨方法时,是将单晶体研磨成厚度约为10μm的性能良好的元件。不过,要将单晶体研磨成薄片,其技术难度大。对于真空镀膜来说,由于能获得小于1μm的薄膜,所以阻值会增加。尽管真空镀膜的膜比单晶膜的电子迁移率小很多,磁阻效应也要小,但是生产效率高,价格低廉。第56页/共158页图4.18平面电极元件第57页/共158页 4.3.4InSb-NiSb共晶磁阻元件 InSb-NiSb共晶材料的特点是在InSb的晶体中掺杂NiSb,在结晶过程中会析出沿着一定方向排列的细长NiSb针状晶体,如图4.19所示。针状晶体导电性能良好,其直径为1μm,长度为100μm左右。由于NiSb在InSb中是平行整齐、有规则排列,所以可将它看作为栅格金属条,起着短路霍尔电势的作用,相当于几何形状效应。它是几何形状长宽比L／b=0.2的扁条状磁阻元件的串联元件。图4.20示出了三种元件的磁阻效应情况。其中未掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫D型,掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫L、N型。从图中可以看出,掺杂磁阻元件灵敏度下降。但从温度关系曲线上将会发现,其温度特性得到了改善。第58页/共158页图4.19InSb-NiSb共晶元件第59页/共158页图4.20三种元件的磁阻效应特性第60页/共158页 4.3.5曲折形磁阻元件 无论是平面电极元件,还是InSb-NiSb共晶元件,为了进一步提高电阻值,往往采用图4.21(a)所示的单个曲折形结构。图4.21(b)是用两个曲折元件组成一个差动式元件,其优点是可将磁阻元件阻值在无磁场情况下做到数百欧甚至数千欧。第61页/共158页图4.21曲折形磁阻元件第62页/共158页 4.3.6磁阻元件的温度补偿 用InSb材料制作的磁阻元件,其特性受温度的影响很大。 图4.22示出了三种温度特性曲线。图中符号D、L、N与图4.20中的相对应。由这两个图可知,一般磁场灵敏度越大,受温度的影响也越大。实际使用磁阻元件时,要根据实际情况灵活选择其类型。

当元件选定以后,还必须按照用途进行有效的温度补偿。用两个成对的元件组成差动式磁组元件,多用于电位差计。图4.23中示出了这种情况的温度补偿例子。图中RM为磁阻元件,r1、r2为温度补偿元件。第63页/共158页图4.22温度特性曲线第64页/共158页图4.23差动式元件温度补偿法第65页/共158页4.4磁敏二极管 4.4.1磁敏二极管的结构 磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。 磁敏二极管属于长基区二极管,是p+-i-n+型,其结构如图4.24所示。其中i为本征（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）或接近本征的半导体,其长为L,它比载流子扩散长度大数倍,其两端分别为高掺杂的区域p+、n+；如果本征半导体是弱N型的则为p+-v-n+型,如是弱P型的则为p+-π-n+型。 在v或π区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的高复合区称r区,与r区相对的另一侧面保持光滑,为低（或无）复合面。第66页/共158页图4.24锗磁敏二极管结构及电路符号第67页/共158页 4.4.2磁敏二极管的工作原理 对普通二极管,在加上正向偏置电压U+时,U+=Ui+Up+Un。式中Ui为i区压降,Up、Un分别为pi+、in+结的压降。若无外界磁场影响,在外电场的作用下,大部分空穴由p+区向i区注入,而电子则由n+区向i区注入,这就是人们所说的双注入长基区二极管,其注入i区的空穴和电子数基本是相等的。由于运动的空间“很大”,除少数载流子在体内复合掉之外,大多数分别到达n+和p+区,形成电流,总电流为I=Ip+In。第68页/共158页

而对磁敏二极管,情况就不同了。当受到正向磁场作用时,电子和空穴受洛伦兹力作用向r区偏转,如图4.25所示。由于r区是高复合区,所以进入r区的电子和空穴很快被复合掉,因而i区的载流子密度减少,电阻增加,则Ui增加,在两个结上的电压Up、Un则相应减少。i区电阻进一步增加,直到稳定在某一值上为止。相反,磁场改变方向,电子和空穴将向r区的对面——低（无）复合区流动,则使载流子在i区的复合减小,再加上载流子继续注入i区,使i区中载流子密度增加,电阻减小,电流增大。同样过程进行正反馈,使注入载流子数增加,Ui减少,Up、Un增加,电流增大,直至达到某一稳定值为止。第69页/共158页图4.25磁敏二极管载流子受磁场影响情况第70页/共158页 4.4.3磁敏二极管的特性

1.电流-电压特性 图4.26示出了Ge磁敏二极管的电流-电压特性曲线。图中B=0的曲线表示二极管不加磁场时的情况,B取+或B取-表示磁场的方向不同。从图中可以看出： ①输出电压一定,磁场为正时,随着磁场强度增加,电流减小,表示磁阻增加,磁场为负时,随着磁场强度向负方向增加,电流增加,表示磁阻减小。 ②同一磁场之下,电流越大,输出电压变化量也越大。第71页/共158页图4.26Ge磁敏二极管的伏安特性曲线第72页/共158页

Si磁敏二极管的电流-电压特性曲线如图4.27所示。值得注意的是,在图4.27（b）中出现了“负阻”现象。其原因是高阻i区热平衡载流子少,注入i区的载流子在未填满复合中心前不会产生较大电流。只有当填满复合中心后电流才开始增加,同时i区压降减少,表现为负阻特性。第73页/共158页图4.27Si磁敏二极管的伏安特性曲线第74页/共158页 2.磁电特性 在给定条件下,把磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系叫做磁敏二极管的磁电特性。 图4.28给出了磁敏二极管的磁电特性曲线。 单个使用时,正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度。互补使用时,正向特性与反向特性曲线基本对称。磁场强度增加时,曲线有饱和趋势；在弱磁场下,曲线有很好的线性。第75页/共158页图4.28磁敏二极管的磁电特性曲线第76页/共158页 3.温度特性 温度特性是指在标准测试条件下,输出电压变化量ΔU随温度变化的规律,如图4.29所示。从图中可以看出,元件受温度影响较大。第77页/共158页图4.29磁敏二极管（单个使用）的温度特性曲线第78页/共158页

反映温度特性的好环,可用U0和ΔU温度系数来表示。其参数大小如表4.2所示。第79页/共158页表4.2Ge、Si磁敏二极管的U0及ΔU温度系数第80页/共158页 4.磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法。 （1）在恒流条件下,偏压随磁场变化,电压相对磁灵敏度SU为 式中：U0是磁场强度为零时,磁敏二极管两端的电压；UB是磁场强度为B时,磁敏二极管两端的电压。SU的测量电路如图4.30所示。第81页/共158页图4.30电压相对磁灵敏度测量电路第82页/共158页

（2）在恒压条件下,偏流随磁场变化,电流相对磁灵敏度SI为

式中：I0是给定偏压下,磁场为零时,通过磁敏二极管的电流；IB是给定偏压下,磁场为B时,通过磁敏二极管的电流。SI的测量电路如图4.31所示。第83页/共158页图4.31电流相对磁灵敏度测量电路第84页/共158页

（3）按照标准测试,在给定电源E和负载电阻R的条件下,电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度被定义为

式中：U0、I0是磁场为零时,磁敏二极管两端的电压和流过的电流；UB、IB是磁场为B时,磁敏二极管两端的电压和通过的电流。 测定SRU和SRI的电路如图4.32所示。第85页/共158页图4.32标准测试方法电路原理图第86页/共158页 4.4.4磁敏二极管的补偿技术

1.互补式温度补偿电路 互补式温度补偿电路如图4.33(a)所示。 使用该电路时,应选用特性相近的两只管子,按相反磁极性组合,即管子磁敏感面相对或相背重叠放置,或选用磁敏对管,将两只管子串接在电路上。

2.热敏电阻温度补偿电路 热敏电阻温度补偿电路如图4.33(b)所示。第87页/共158页图4.33温度补偿电路第88页/共158页4.5磁敏三极管 4.5.1磁敏三极管的结构

1.Ge磁敏三极管的结构 Ge磁敏三极管的结构及电路符号如图4.34所示。它是在弱P型准本征半导体上用合金法或扩散法形成三个极。有发射极e,基极b,集电极c。相当于在磁敏二极管长基区的一个侧面制成一个高复合区r。第89页/共158页图4.34NPN型Ge磁敏三极管的结构和电路符号第90页/共158页 2.Si磁敏三极管 Si磁敏三极管是用平面工艺制造的,其结构如图4.35所示。它一般采用N型材料,通过二次硼扩散工艺,分别形成发射区和集电区,然后扩磷形成基区而制成PNP型磁敏三极管。 由于工艺上的原因,很少制造NPN型磁敏三极管。第91页/共158页图4.35Si磁敏三极管的结构第92页/共158页 4.5.2磁敏三极管的工作原理 如图4.36（a）所示,当不受磁场作用时,由于磁敏三极管基区长度大于载流子有效扩散长度,因此发射区注入载流子除少部分输入到集电极c外,大部分通过e-i-b,形成基极电流。由此可见,基极电流大于集电极电流,所以电流放大倍数β=Ic／Ib＜1。 如图4.36(b)所示,当受到H+磁场作用时,由于受洛伦兹力影响,载流子向发射区一侧偏转,从而使集电极电流Ic明显下降。当受到H-磁场作用时,如图4.36(c)所示,载流子受洛伦兹力影响,向集电区一侧偏转,使集电极电流Ic增大。第93页/共158页图4.36磁敏三极管工作原理示意图第94页/共158页 4.5.3磁敏三极管的特性

1.伏安特性 图4.37示出了磁敏三极管的伏安特性曲线。图4.37（a）为无磁场作用时的伏安特性；图4.37（b）为在恒流条件下,Ib=3mA,磁场为正、负1kGs时集电极电流Ic的变化情况。第95页/共158页图4.37磁敏三极管的伏安特性曲线第96页/共158页 NPN型Ge磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）的磁电特性曲线如图4.38所示。从图中可见,在弱磁场情况下,3BCM磁敏三极管的磁电特性接近线性变化。 NPN型Ge磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）的磁电特性曲线如图4.38所示。从图中可见,在弱磁场情况下,3BCM磁敏三极管的磁电特性接近线性变化。第97页/共158页图4.383BCM磁敏三极管的磁电特性第98页/共158页 3.温度特性

3BCM磁敏三极管的温度特性曲线如图4.39所示。图4.39（a）为基极恒压时的温度特性曲线,图4.39(b)为基极恒流时的温度特性曲线。 当温度从T1升到T2时,集电极电流Ic的温度灵敏度系数表达式为

式中,Ic(T0)表示T0=25℃时的集电极电流。第99页/共158页图4.393BCM磁敏三极管的温度特性第100页/共158页

除了用dI表示之外,也可以用磁灵敏度h来表达。当温度从T1升到T2时,磁灵敏度h的变化值可用磁灵敏度温度系数表示为

4.5.4温度补偿技术 同磁敏二极管一样,磁敏三极管的温度依赖性也较大。若使用Si磁敏三极管,注意到其集电极电流具有负温度系数的特点,可采用以下几种方法进行温度补偿。

1.利用正温度系数普通硅三极管进行补偿 其电路如图4.40(a)所示。第101页/共158页图4.40温度补偿电路第102页/共158页 2.利用磁敏三极管互补电路 由PNP和NPN型磁敏三极管组成的互补式补偿电路如图4.40(b)所示。如果图中两种磁敏三极管集电极温度特性完全一样,则互补电路的输出电压不随温度发生漂移。

3.采用磁敏二极管补偿电路 由于Ge磁敏二极管的电流随温度升高而增加,利用这一特性可将其作为Ge磁敏三极管负载以补偿输出电压的漂移,如图4.40(c)所示。

4.采用差分补偿电路 用两只磁、电等特性一致,而磁场特性相反的磁敏三极管组成差分补偿电路。这种补偿方法可提高磁灵敏度。其电路如图4.40(d)所示。第103页/共158页4.6磁敏传感器的应用 4.6.1霍尔元件的应用

1.霍尔位移传感器 如图4.41(a),在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时,霍尔电势UH与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB／dx为一常数（见图4.40(b)）,则当霍尔元件沿x方向移动时,霍尔电势的变化为第104页/共158页

式中,k是位移传感器的输出灵敏度。 将式（4.15）积分后得 UH=kx

式(4.16)说明,霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高；磁场梯度越均匀,输出线性度越好。当x=0,即元件位于磁场中间位置上时,UH=0。这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结果。 霍尔位移传感器一般可用来测量1～2mm的小位移。其特点是惯性小,响应速度快,无接触测量。利用这一原理还可以测量其它非电量,如力、压力、压差、液位、加速度等。第105页/共158页图4.41霍尔位移传感器的磁路结构示意图

(a)磁路结构；（b）磁场变化第106页/共158页 2.霍尔压力传感器图4.42是HYD型压力传感器。这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后,再应用霍尔电势与位移关系测量压力。作为压力敏感元件的弹簧管,其一端固定,另一端安装着霍尔元件。当输入压力增加时,弹簧管伸长,使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移,从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小。其元件的位移在±1.5mm范围内,输出约20mV,工作电流10mA,线性较好。第107页/共158页图4.42HYD型压力传感器第108页/共158页 3.霍尔磁极检测器 使用霍尔元件可以很方便地制作检查磁铁N极、S极的磁极检测器。 磁极检测器的电路如图4.43所示。电路中使用了输出电压大的InSb霍尔元件H1。H1在恒压条件下工作,电阻R1(330Ω)是限流电阻,发光二极管是电流指示灯。在霍尔元件中流过的电流Ic为 式中：Ucc为电源电压；ULED为发光二极管的正向电压；RH为霍尔元件的电阻。 图中选用的霍尔元件的RH=300Ω,使Ic约为100mA。第109页/共158页图4.43磁极检测器电路第110页/共158页

霍尔电压UH由运算放大器A1和A2放大100倍,N极、S极可用满刻度为0.2的模拟表指示。当然，使用在调谐器中所用的调谐指示比较方便。被测磁铁很大时,表针可能会超过指示范围,为此要加上二极管V1和V2,将加在表上的电压限制在0.6～0.7V。为了保证表头上流过0.2mA的电流,取R3=3kΩ。由于有二极管V1和V2的限流作用,R2可取2kΩ,流过二极管的最大电流约有4mA。 该检测器使用简便,当用它靠近被测磁铁,表针就会指示出极性。 电路图中的Rw用于调整霍尔传感器的偏移电压。没有磁铁靠近时,表针应处在中心位置,改变Rw,便可达到零点调整。第111页/共158页 H1是由先锋公司精密生产的InSb霍尔元件,霍尔电压130～300mV（12mA,1kGs)，非一致性±35mV%,输入电阻150～600Ω,最大工作电流20mA。

4.霍尔转速测量仪 利用霍尔效应测量转速有两种可行的方案,分别如图4.44(a)和4.44(b)所示。图4.44(a)中将永磁体安装在旋转轴的轴端；图4.44(b)中是将永磁体安装在旋转轴的轴侧。霍尔元件放置于磁体的气隙中,当轴转动时,霍尔元件输出的电压则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后,便可求得转速的数据。第112页/共158页

图4.44利用霍尔效应测量转速的方案（a）永磁体安装在轴端；（b）永磁体安装在轴侧第113页/共158页 5.用霍尔元件测量电流 用霍尔元件测量工程上的大直流电流,往往具有结构简单、成本低廉、准确度高等诸多优点。常用的测量方法有：旁测法；贯串法；绕线法等。

1）旁测法 旁测法是一种较简单的方法,其测量方案如图4.45所示。将霍尔元件放置在通电导线附近,给霍尔元件加上控制电流,被测电流产生的磁场将使霍尔元件产生相应的霍尔输出电压,从而可得到被测电流的大小。该法只适宜于那些要求不很高的测量场合。

第114页/共158页 2）贯串法 贯串法是一种较实用的方法,其测量方案如图4.46所示。该法是把铁磁材料做成磁导体的铁心,使被测通电导线贯串它的中央,将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中,于是,可通过环形铁心来集中磁力线。当被测导线中有电流流过时,在导线周围就会产生磁场,使导磁体铁心磁化成一个暂时性磁铁,在环形气隙中就会形成一个磁场。通电导线中的电流越大,气隙处的磁感应强度就越强,霍尔元件输出的霍尔电压UH就越高,根据霍尔电压的大小,就可以得到通电导线中电流的大小。该法具有较高的测量精度。第115页/共158页图4.45旁测法第116页/共158页图4.46贯串法第117页/共158页

结合实际应用,还可把导磁铁心做成如图4.47所示的钳式形状或非闭合磁路形状等。第118页/共158页

图4.47贯串法的两种形式（a）钳式；（b）非闭合磁路式第119页/共158页 3）绕线法磁心绕线法是又一种测量方案,其原理如图4.48所示。它是用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。把被测通电导线绕在导磁铁心上,据有关文献资料报道,若霍尔传感器选用SL3501M,则每1安1匝在气隙处可产生0.0056T的磁感应强度。若测量范围是0～20A,则被测通电导线绕制9匝,便可产生约0～0.1T的磁感应强度。此时,SL3501M会产生约1.4V的电压输出。第120页/共158页图4.48绕线法第121页/共158页 6.霍尔开关按键 霍尔开关按键是由霍尔元件装配键体而成的开关电键。霍尔电路用磁体作为触发媒介,当磁体接近霍尔电路时,产生一个电平信号,霍尔按键就是依靠改变磁体的相对位置来触发电信号的。 霍尔开关是一个无触点的按键开关。霍尔电路具有一定的磁回差特性,在按下按键过程中,即使手指有所抖动,也不会影响输出电平的状态。按键的输出电平由集成元件的输出级提供,电平的建立时间极短。因此,霍尔按键是一个无触点、无抖动、高可靠、长寿命的按键开关。 南京半导体器件总厂生产的HKJ系列霍尔开关按键已有7种型号,每种型号内又各有6个品种,如直键、斜键、弹簧式发光键、插片式发光键及带控制端的按键等。第122页/共158页

广泛用于计算机的各种输入键盘,各种控制设备中的控制键盘,各种面板上的按键开关,手动脉冲发生器等。其技术性能指标为：电键按力50g、120g、300g；按键全行程5±0.5mm；导通行程3±0.5mm；输出脉冲边沿宽度＜50ns；寿命＞107次；使用环境温度-20～55℃。 这种无触点开关还可以进一步开发。现在最有希望的应用领域是无触点开关的霍尔电机,由于使用了无触点开关,因而可以作出无刷直流电动机。第123页/共158页 7.霍尔集成传感器的应用

1）用霍尔集成传感器控制LED的亮、灭 用霍尔集成传感器控制LED亮、灭的电路如图4.49所示。霍尔集成传感器采用PST-525,其输出可视情况接入一个≤1kΩ的限流电阻,再去控制发光二极管LED的亮、灭。电路中,由于霍尔集成传感器采用NPN集电极开路输出形式,所以LED阳极接到电源正端。要增大LED的亮度,可以减小限流电阻增大IF,但受霍尔集成传感器的额定电流（十几mA）的限制。为此,当需要大电流时,可接入驱动晶体管。第124页/共158页图4.49LED亮、灭控制电路第125页/共158页 2）用霍尔集成传感器控制电机的通断 用霍尔集成传感器控制电机的通断电路如图4.50所示。霍尔集成传感器采用PST-525。为了增大驱动功率,电路中接入PNP型功率晶体管V1。该电路可以直接驱动1A左右的电流负载。此例为驱动直流电动机,也可以接螺线管、灯泡等负载。第126页/共158页图4.50电机通断控制电路第127页/共158页 3）用霍尔集成传感器进行转数检测 用霍尔集成传感器检测磁转子转数的电路如图4.51所示。电路中霍尔集成传感器采用了UGN3040,输出端接入一小功率PNP晶体管V。V的输出端B的信号极性与UGN3040输出端A的相反,因此,该电路可以获得相位相反的两种信号A与B。第128页/共158页图4.51转数检测电路第129页/共158页 4）用霍尔集成传感器进行无触点照明控制 用霍尔集成传感器构成的无触点照明控制电路如图4.52所示。带有磁钢的机械臂或设备接近霍尔集成传感器时,系统将以无触点的方式控制灯的亮、灭。由图4.52可见,电路中霍尔集成传感器的输出端接有光电固态继电器SF5D-M1,用以带动交流100V的照明装置的通断。另外,SF5D-M1还起到高低压之间的电气隔离作用。该电路也可以控制100V交流感应电机或其它设备的通断。第130页/共158页图4.52无触点照明控制电路第131页/共158页 5）用霍尔集成传感器控制卫生间照明灯 用霍尔集成传感器控制卫生间照明灯的电路如图4.53所示。其工作过程为：当打开门,人进入卫生间再关上门时,磁钢G离开霍尔集成传感器HG（型号为CS3020）,HG输出高电平脉冲,触发单稳电路A1（型号为CC4013）,A1的1脚输出高电平信号。这个高电平信号又触发A2（型号为CC4013）,A2的13脚输出高电平,经R4加到V放大,触发晶闸管VS导通,点亮灯H。进入卫生间的人经过任意一段时间,拉门出来再关上门时,磁钢G再次离开HG,使HG输出一正脉冲,触发A1使其又一次输出高电平,并使A2再次发生翻转,13脚回到低电平,V截止,引起VS截止,H熄灭。为了适应某些特殊情况,电路中特别设置了开关S。第132页/共158页图4.53卫生间照明灯自动控制电路第133页/共158页 4.6.2磁阻元件的应用 磁阻元件有使用InSb作为感磁材料的半导体磁阻元件和使用CoNi强磁体的强磁磁阻元件等,它们各有不同的特性。半导体磁阻元件通常是利用平面电极等把许多小的InSb矩形体单元串联在一起构成的。采用这种结构的目的是为了提高灵敏度。在使用半导体磁阻元件时,磁场垂直于元件受磁面。半导体磁阻元件需要磁偏,其理由是在零磁场附近磁阻灵敏度非常小。一般用永久磁铁施加磁偏提高其灵敏度,如图4.54所示。但过大的永久磁铁无论是形状还是价格都存在问题,一般选用五百至数千高斯的。由于有了磁偏,被检测体不仅是磁铁,也可以是强磁性体。在10kGs以上的磁场中,磁阻元件仍能工作。第134页/共158页图4.54在半导体磁阻元件上加磁偏第135页/共158页

强磁磁阻元件的磁阻效应本质上与半导体的磁阻效应不同,如图4.55所示,其电阻值与磁场的大小成反比。磁阻在磁通密度达到数十至数百高斯即饱和。一般电阻值变化部分为百分之几,这一变化量作为磁阻元件的输出。强磁磁阻元件感磁部分由NiCo强磁性金属构成,磁场方向应平行于电流方向。第136页/共158页图4.55强磁磁阻元件的特性第137页/共158页 1.磁敏电阻的基本应用电路 磁敏电阻的基本应用电路如图4.56所示。图4.56(a)为单个磁敏电阻应用时的接法,磁敏电阻RM与电阻R