第四章 磁敏传感器ppt课件

1、第4章磁敏传感器,4.1磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应 4.2霍尔元件 4.3磁阻元件 4.4磁敏二极管 4.5磁敏三极管 4.6磁敏传感器的应用 思考题与习题,4.1磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、 形状效应4.1.1基础知识在了解和学习磁敏传感器之前，先让我们回顾一下磁现象及其有关公式。磁现象和电现象不同，它的特点之一是磁荷(Magnetic Charge)不能单独存在，必须是N、S成对存在(电荷则不然，正电荷和负电荷可以单独存在)，并且在闭区间表面全部磁束(磁力线)的进出总和必等于零，即div B=0。磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由公式表示为F=e(E+vB)=eE+e

2、vB,该式表示运动电荷e在电场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(洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力，它由荷兰物理学家HA洛伦兹首先提出)。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。电感L、电流I与它们产生的磁束之间的关系可表示为=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,以上这些公式是检测磁学量所依据的基本公式。磁感应强度B和磁场强度H均为表征磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B是一个基本物理量，是垂直穿过单位面积的磁力线的数量。磁感应强度可通过仪器直接测量。磁感应强度也称磁通密度，

3、或简称磁密，其单位是韦伯/平方米(Wb/m2)或特斯拉(t)。 磁场强度H是作用于磁路单位长度上的磁通势。磁场传播需经过介质(包括真空)，介质因磁化也会产生磁场，这部分磁场与源磁场叠加后产生另一磁场。为了描述源磁场的特性及方便数学推导，引入一个与介质无关的物理量H，,H=B/m0M，式中，0为真空磁导率，M为介质磁化强度。磁场强度的单位是安/米(A/m)。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，则在薄片的另两侧会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH (霍尔电势，也称霍尔电压)。这种现象就称为霍尔效应。,图4.1霍

4、尔效应原理图,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rB=r0(1+0.273 m2B2)设电阻率的变化为Dr=rBr0，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。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。

5、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：,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。人类对自然界的探索和认识是无止境的，还有许许多多新的现象、新的效应有待我们去研究、去发现。霍尔效应是1879年美国物理学家霍尔最初研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。101年以后，即1980年，克里津从金属-氧化物半导体场效应电晶体中发现了量子霍尔效应。因发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术，德国物理学家冯克里津获得了1985年诺贝尔物理学奖。,4.2霍尔元件4.2.1霍尔元件的工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作的。

6、霍尔效应是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。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，其中e为电子电量，v为电子速度，B为磁感应强度)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=eUHl)与洛伦兹力fL相等时，电子的积累便达到动态平衡。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

7、用下式表示：令,(4.1),(4.2),KH称为霍尔元件的灵敏度，于是UH=KHIB(4.3)由式(4.3)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的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

8、电势极性不变。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时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量(即B cos)，这时UH=KHIB cos。,4.2.2霍尔元件的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

9、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。,图4.2霍尔元件示意图,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，其中图(c)为日本规定的霍尔元件的符号，图(d)为我国国家标准规定的霍尔元件的符号。由于本书中凡是注出型号的霍尔元件均由日本生产，因此这类霍尔元件采用日本规定的符号，其余霍尔元件均采用我国国家标准规定的符号。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。例如，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4.3霍尔元

10、件的符号,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。建立霍尔效应所需的时间很短(约10121014 s)，因此控制电流用交流时，频率可以很高(几千兆赫兹)。,图4.4霍尔元件的基本电路,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一些，只适用于对精度要求不太高的场合。,图4.5恒压工作的霍尔传感器电路,当使用SHS2

11、10霍尔元件时，工作在1 V、1 kGs(1Gs=104 T)时，输出电压为2155 mV，偏移电压为7%(最大) (1.473.85 mV)。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是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)。恒压工作的控制电流为,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)，加上恒流工作时恒流源自身变化0.06

12、%,则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。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。在恒流工作时，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。,图4.6恒流工作的霍尔传感器电路,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

13、电阻，这样就会产生误差; 图4.7(b)中使用了三个运算放大器，则没有这个问题。,图4.7霍尔传感器的测量电路,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)所示的电路，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，因此其差表现为偏移电压。在图4.8(b)所示的电路中，C1和C2的漏电流相等，漏电流的影响被减轻。在图4.8(c)所示的电路中，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。,图4.8霍尔传感器的输出为交流时的放大电

14、路,4.2.4电磁特性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为由UH=KHIB，可得到KI=KHB(4.5) 由式(4.5)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,(4.4),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，

15、而是有所偏离。通常，霍尔元件工作在0.5 Wbm2以下时线性度较好，如图4.10所示。在使用中，若对线性度要求很高，则可采用HZ-4，它的线性偏离一般不大于0.2%。,图4.9霍尔元件的UH-I特性曲线,图4.10霍尔元件的UH-B特性曲线,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r

16、1、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，由于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，则应采用机械修磨或化学腐蚀元件的方法来减小不等位电势。,图4.11不等位电势示意图,图4.12霍尔元件的等效电路,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。,图4.13不等位电势的几种补偿线路,2. 温度误差及其补偿由于半导体材料的电阻率、迁移

17、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，还必须结合其他补偿线路。图4.14所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它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

18、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。设在某一基准温度T0时有以下关系：,(4.7),(4.6),当温度升到T时，同理可得当温度为T0时，霍尔电势为(4.9) 设，当温度为T时，霍尔电势为 (4.10) 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： (4.11)则说明霍尔电势的温度误差得到了全补偿，即有,(4.8),于是由式(4.7)和式(4.8)，并将r、R用r0、R0表示，得将式(4.12)左边展开，并略去adt2项(温差t100时，因a、d很小，故此项很小)，则,(4.12),(4.13),因为a、

19、d比b小得多，即所以式(4.13)可近似为通过式(4.14)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b和霍尔电势的温度系数a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。 ,(4.14),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他性能并无影响，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，输出电压就不改变。表4.1列出了常用霍尔元件的特性参数。,表4.1常用霍尔元件的特性参数,4.3磁阻元件4.3.1长方形磁阻元件长方形磁阻元

20、件的结构如图4.15(a)所示，其长度L大于宽度b，在两端制成电极，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，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，所以若在磁场中走过的路程增加，则它们受到阻碍的程度也就提高，从而引起电阻率的增加。,图4.15长方形和高灵敏度元件,图4.16在电场和磁场互相垂直的固体中电子的运动(T=25),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。,图4.

21、17科尔宾元件的结构,4.3.3平面电极元件将长方形的Lb减小，磁阻效应RR0也就变大，零磁场的电阻R0变小，但由磁场而引起的阻值的变化量R(R=RR0)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R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，把Lb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，不太实用。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。,图4.18平面电极元件的结构,4.3.4InSb-NiS

22、b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的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1 m，长度为100 m左右。由于NiSb在InSb中是平行整齐、有规则排列的，所以可将它看做栅格金属条，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Lb=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，

23、其温度特性得到了改善。,图4.19InSb-NiSb共晶元件,图4.20三种元件的磁阻效应情况,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的一个差动式元件，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。,图4.21曲折形磁阻元件,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

24、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。,图4.22温度特性曲线,图4.23差动式元件温度补偿法,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。图中，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

25、半导体是弱N型的，则为p+-v-n+型；如是弱P型的，则为p+-n+型。,在v或p区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的高复合区称为r区，与r区相对的另一侧面保持光滑，为低(或无)复合面。,图4.24锗磁敏二极管的结构及电路符号,4.4.2磁敏二极管的工作原理对于普通二极管，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，则在外电场的作用下，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相等。由于运动的空间“很大”，因此除少数载流子在体内复

26、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。对于磁敏二极管，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。,图4.25磁敏二极管载流子受磁场影响的情况,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(锗)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

27、压变化量也越大。,图4.26Ge磁敏二极管的伏安特性曲线,Si(硅)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。,图4.27Si磁敏二极管的伏安特性曲线,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。,图4.28磁敏二极管的磁电特性曲线,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

28、量U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。,图4.29磁敏二极管(单个使用)的温度特性曲线,温度特性的优劣可用U0和U温度系数来表示。其参数大小如表4.2所示。,表4.2Ge、Si磁敏二极管的U0及U温度系数,4. 磁灵敏度磁敏二极管的磁灵敏度有以下三种定义方法。(1) 在恒流条件下，偏压随磁场变化，电压相对磁灵敏度SU为 SU的测量电路如图4.30所示。 (2) 在恒压条件下，偏流随磁场变化，电流相对磁灵敏度SI为SI的测量电路如图4.31所示。,图4.30电压相对磁灵敏度的测量电路,图4.31电流相对磁灵敏度的测量电路,(3) 按照标准测试，在给定电源E和

29、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测定 的电路如图4.32所示。,图4.32标准测试方法的电路原理图,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. 热敏电阻式温度补偿电路热敏电阻式温度补偿电路如图4.33(b)所示。,图4.33热敏电阻式温度补偿电路,4.5磁敏三极管磁敏三极管是在磁敏二极管的基础上研制出来的。磁敏三极管有NPN型和PNP型结构，按照所选用半导体材料又可分为Ge磁敏

30、三极管和Si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。,图4.34NPN型Ge磁敏三极管的结构和电路符号,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。,图4.35Si磁敏三极管的结构,4.5.2磁敏三极管的

31、工作原理如图4.36(a)所示，当不受磁场作用时，由于磁敏三极管的基区长度大于载流子的有效扩散长度，因此发射区注入的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 。,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。,图4.36磁敏三极管的工作原理示意图,4.5.3磁敏三极管的特性1. 伏安特性图4.37给出了磁敏三极管的伏安特性曲线。图4.37

32、(a)为无磁场作用时的伏安特性；图4.37(b)为在恒流条件下，当Ib=3 mA、磁场为1101 T时集电极电流Ic的变化情况。2. 磁电特性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。,图4.37磁敏三极管的伏安特性曲线,图4.383BCM磁敏三极管的磁电特性曲线,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温度特性除了用d

33、I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,图4.393BCM磁敏三极管的温度特性曲线,4.5.4温度补偿技术1. 采用正温度系数普通硅三极管进行补偿采用正温度系数普通硅三极管进行补偿的电路如图4.40 (a)所示。,图4.40温度补偿电路,2. 采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磁敏三极管的负载以

34、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可组成差分补偿电路。这种补偿方法可提高磁灵敏度。其电路如图4.40(d)所示。,几种磁敏传感器的实物图如图4.41图4.51所示。,图4.41HO8-N-A(KHO-03DA) 霍尔开关,图4.42HP8-P-B(KHP-01DB)霍尔开关,图4.43SS500系列表面贴装霍尔传感器,图4.44霍尔电流传感器CS500B系列,图4.45霍尔电流传感器A-CS300B系列,图4.46 霍尔电流传感器CS600CF系列,图4.47霍尔电流传感器CS500E系列,图4.48半导体磁敏传

35、感器 MRS-F-21,图4.49HMC1001高灵敏度一维磁阻传感器,图4.50HMC1022二维磁阻传感器,图4.512SS52M系列开关量磁阻传感器,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4.52(a)所示，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dBdx为一常数(见图4.52(b)，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为,(4.15),图4.52霍尔位移传感器的磁路结构示意图,2. 霍尔压力传感器图4.53是HYD型压力传感器。这

36、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，由霍尔元件的输出电压大小即可知压力的大小。其元件的位移在1.5 mm范围内, 输出约20 mV，工作电流为10 mA，线性较好。,图4.53HYD型压力传感器,3. 霍尔磁极检测器使用霍尔元件可以很方便地制作用于检查磁铁N极、S极的磁极检测器。磁极检测器的电路及元器件表如图4.54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(330 W)是限流电阻，发

37、光二极管是电流指示灯。在霍尔元件中流过的电流Ic为图4.54中选用的霍尔元件的RH=300 W，使Ic约为100 mA。,图4.54磁极检测器的电路及元器件表,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4.55(a)和图4.55(b)所示。图4.55(a)中将永磁体安装在旋转轴的轴端；图4.55(b)中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。,图4.55利用霍尔效应测量转速的方案,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

38、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4.56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。,图4.56旁测法,2) 贯串法贯串法是一种较实用的方法，其测量方案如图4.57所示。该法是把铁磁材料做成导磁铁芯，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导磁铁芯的气隙中，于是可通过环形铁芯来集中磁力线。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

39、铁芯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。,图4.57贯串法,结合实际应用，还可把导磁铁芯做成如图4.58所示的钳式形状或非闭合磁路式形状等。,图4.58贯串法的两种形式,3) 绕线法绕线法是又一种测量方案，其原理如图4.59所示。它用标准环形导磁铁芯与霍尔集成传感器组合而成，把被测通电导线绕在导磁铁芯上。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0.0056 T的磁感应强度。若测量范围是

40、020 A，则被测通电导线绕制9匝，便可产生约00.1 T的磁感应强度。此时，SL3501M会产生约1.4 V的电压输出。,图4.59绕线法,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，在按下按键的过程中，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H

41、KJ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。霍尔开关按键可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：电键按力为50 g、120 g、300 g，按键全行程为50.5 mm，导通行程为30.5 mm，输出脉冲边沿宽度50 ns，寿命107次，使用环境温度为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，因而可以做出无刷直流电动机。,7. 霍尔集成传感器的应用1) 用霍尔集成传感器控制L

42、ED的亮、灭用霍尔集成传感器控制LED亮、灭的电路如图4.60所示。霍尔集成传感器采用PST-525，其输出可视情况接入一个小于等于1 k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(十几毫安)的限制。为此，当需要大电流时，可接入驱动晶体管。,图4.60LED亮、灭控制电路,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4.61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

43、功率晶体管V1。该电路可以直接驱动1 A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。,图4.61电机通、断控制电路,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4.62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。,图4.62转数检测电路,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4.63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、

44、灭。由图4.63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100 V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100 V交流感应电机或其他设备的通、断。,图4.63无触点照明控制电路,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4.64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), A

45、2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。,图4.64卫生间照明灯自动控制电路,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提高灵敏度。在使用半导

46、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来提高其灵敏度，如图4.65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500至数千高斯的。由于有了磁偏，被检测体不仅可以是磁铁，也可以是强磁性体。在1 T以上的磁场中,磁阻元件仍能工作。,图4.65在半导体磁阻元件上加磁偏,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4.66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