磁敏传感器 2PPT课件

1、2021-11-44.1 4.1 磁敏传感器的物理基础磁敏传感器的物理基础1 1、磁现象：磁荷不能单独存在，必须、磁现象：磁荷不能单独存在，必须N N、S S成对成对存在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必存在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等于零，即等于零，即divB=0divB=02 2、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的关系：关系：F=e(E+vB)=eE+evBF=e(E+vB)=eE+evB3 3、磁通变化与电动势的关系：、磁通变化与电动势的关系：ddBEdtdt 第1页/共96页2021-11-4 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流

2、流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在过时，在垂直垂直于电流和磁场的方向上将产生于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 德国物理学家霍尔德国物理学家霍尔18791879年发现。年发现。一、霍尔效一、霍尔效应应4.2 4.2 霍尔元件霍尔元件第2页/共96页2021-11-4bIdUHfEvflB二、霍尔元件工作原理：二、霍尔元件工作原理： 如图所示如图所示N N型半导体薄片，于垂直方向上施加磁型半导体薄片，于垂直方向上施加磁感应强度为感应强度为B B的磁场，在薄片左右两端通以控制的磁场，在薄片左右两端通以控制电流电流I I。第3

3、页/共96页2021-11-4 半导体中的载流子半导体中的载流子( (电子电子) )将沿着与电流将沿着与电流I I相反相反的方向运动。的方向运动。 由于外磁场由于外磁场B B的作用，使电子受到磁场力的作用，使电子受到磁场力f fL L( (洛洛仑兹力仑兹力) )而发生偏转，结果在半导体的后端面上而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后断面间形成在前后断面间形成电场电场。 该电场产生的电场力该电场产生的电场力f fE E 阻止电子继续偏转。阻止电子继续偏转。)(BvefleEfE平衡。时，电荷积累达到动态当lEff分

4、析：分析：第4页/共96页2021-11-4()lEfe vBfeEEvB HHUEvBUbvBbIne bdHHHIBIBUBbRK IBnedd式中：式中：电阻率、电阻率、n n电子浓度电子浓度 电子迁移率电子迁移率=/E=/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。1HRne第5页/共96页2021-11-4 在半导体前后两端面之间在半导体前后两端面之间( (即垂直于电流和即垂直于电流和磁场方向磁场方向) )建立电场，称为建立电场，称为霍尔电场霍尔电场E EH H，相，相应的电势称为应的电势称为霍尔电势霍尔电势U UH H。R RH H霍尔系数，由载流材料的

5、物理性质决定；霍尔系数，由载流材料的物理性质决定； k kH H灵敏度系数，与载流材料的灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸物理性质和几何尺寸 有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时 的霍尔电势的大小；的霍尔电势的大小； d d 薄片厚度。薄片厚度。 UH KH I BdIBRUHH第6页/共96页2021-11-4讨论：讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件都可以制造霍尔元件; ; 绝缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很大，电子迁移率很小，不适用；很小，不适

6、用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RHH很小，很小，U UHH很小很小, ,不适用不适用; ; 半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大R RH H大，非常适于做霍尔元件，半大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用件多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）; ; 由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度K KH H越大，所以越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米微米(d1m)(d1m)。第7页/共96页2

7、021-11-4注：注：1 1、当电流、当电流I I的方向或磁场的方向改变时，输出电的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时输出电势不改变方向。输出电势不改变方向。2 2、如果磁场和薄片法线有如果磁场和薄片法线有角，那么角，那么 ： VH KH I B cos第8页/共96页2021-11-4(a)a)实际结构实际结构(mm)(mm)；(b)(b)简化结构；简化结构；(c)(c)等效电路等效电路外形尺寸外形尺寸:6.4:6.43.13.10.2;0.2;有效尺寸：有效尺寸：5.45.42.72.70.20.2d ds

8、sl l（b b）2.12.15.45.42.72.7A AB B0.20.20.50.50.30.3C CD D（a a）w w电流极电流极霍尔电极霍尔电极R R4 4ABCDR1R2R3R4（c c）三、霍尔元件的结构三、霍尔元件的结构第9页/共96页2021-11-4材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度特性及线性度好灵敏度最高、受温度影响大第10页/共96页2021-11-4霍尔器件符号霍尔器件符号ACDBHABCDABCD霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。电流端子电流端子A A、B B称为器件称为器件电流端电流端、控制电流端。、控制电

9、流端。端子端子C C、D D称为称为霍尔端霍尔端或输出端。或输出端。实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，也可把作输入，也可把I I或或B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。第11页/共96页2021-11-4四、主要技术参数及特性四、主要技术参数及特性（1 1）额定激励电流额定激励电流 I IH H霍尔元件的允许温升规定着一个最霍尔元件的允许温升规定着一个最大控制电流。大控制电流。（2 2）不平衡电势不平衡电势U U0 0不等位电势、零位电势不等位电势、零位电势 I IH H、B=0B=0、空载霍尔电势、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在

10、同一等位面上原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良材料不均匀、工艺不良 （3 3）输入电阻输入电阻R Ri i 、输出电阻输出电阻R R0 0R Ri i 控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻R R0 0 输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻B = 0B = 0欧姆表欧姆表第12页/共96页2021-11-4（4 4）基本特性）基本特性 直线性直线性：指霍尔器件的输出电势：指霍尔器件的输出电势U UH H分别和基本参数分别和基本参数 I I、U U、B B之间呈线性关系。之间呈线性关系。灵敏度灵敏度K KH H： 乘积灵敏度：乘积灵敏度： 霍尔元件的输出电压要

11、由磁感应强度霍尔元件的输出电压要由磁感应强度B B和控制和控制电流电流I I的的乘积乘积来确定来确定, ,表示霍尔电势表示霍尔电势U UH H与两者乘积之间与两者乘积之间的比值，通常以的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。UH KH I B第13页/共96页2021-11-4K KB B磁场灵敏度，通常以磁场灵敏度，通常以额定电流额定电流为标准。磁场灵为标准。磁场灵敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。 K KI I电流灵敏度，电流灵敏度等

12、于霍尔元件在单位电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。若若控制电流值固定控制电流值固定，则：，则：U UH HK KB BB B若若磁场值固定磁场值固定，则：，则：U UH HK KI I I I第14页/共96页2021-11-4VHR3VBIEIH霍尔器件的基本电路霍尔器件的基本电路R控制电流控制电流I I；霍尔电势霍尔电势V VH H；控制电压控制电压V V；霍尔负载电阻霍尔负载电阻R R3 3；霍尔电流霍尔电流I IH H。 图中控制电流图中控制电流I I由电源由电源E E供给供给, ,R R为调节电阻为调节电阻,

13、,保证保证器件内所需控制电流器件内所需控制电流I I。霍尔输出端接负载。霍尔输出端接负载R R3 3, ,R R3 3可是可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B B垂直通过霍尔器件。垂直通过霍尔器件。五、基本电路第15页/共96页2021-11-4霍尔元件输入输出电路：霍尔元件输入输出电路：1 1、恒压工作恒压工作： 特点：性能差，适用于对精度要求不高的地方特点：性能差，适用于对精度要求不高的地方 性能差的原因：霍尔元件输入电阻随温度变化性能差的原因：霍尔元件输入电阻随温度变化和和 磁阻效应的影响。磁阻效应的影响。2 2、恒流工作恒流

14、工作: : 特点：充分发挥霍尔传感器的性能；没有霍特点：充分发挥霍尔传感器的性能；没有霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。3 3、差分放大差分放大： 特点：能去除霍尔输出的同相电压特点：能去除霍尔输出的同相电压第16页/共96页2021-11-4六、霍尔元件的误差及其补偿六、霍尔元件的误差及其补偿 产生误差的原因产生误差的原因： 一是制作工艺、制作水平的限制。一是制作工艺、制作水平的限制。 二是外界温度的影响。二是外界温度的影响。（一）零位误差（一）零位误差 1 1、不等位电势、不等位电势U U0 0及其补偿及其补偿 B=0B=0，I0I0，U

15、 UH H=U=U0 000。 U U0 0为不等位电势。为不等位电势。第17页/共96页2021-11-4产生原因：产生原因： 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上，或激励电极接触不良造成激励电流不均面上，或激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。匀分布等。第18页/共96页2021-11-4产生原因：产生原因： 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀，何尺寸不均匀， 等电位面歪斜。等电位面歪斜。第19页/共96页2021-11-4不等位电势的补偿：不等位电势的补偿： 不等位电势可表示为不等位

16、电势可表示为U U0 0=r=r0 0I IH H( (r r0 0为不等位电阻为不等位电阻) )分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U U0 000，可在电阻大的桥臂上并联电阻。可在电阻大的桥臂上并联电阻。第20页/共96页2021-11-42.2.寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极除输出交流不等位电势外，还有一直霍尔电极除输出交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。流电势，称为寄生

17、直流电势。原因：原因：由于元件的由于元件的两对电极不是完全欧姆接触两对电极不是完全欧姆接触而而形成形成整流效应整流效应，两个霍尔电极的两个霍尔电极的焊点大小不等焊点大小不等、热容量不同、热容量不同引起温差所产生的。引起温差所产生的。第21页/共96页2021-11-4（二）（二） 霍尔元件温度误差及补偿霍尔元件温度误差及补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的霍尔元件是采用半导体材料制成的, , 因此它因此它们的许多参数都具有较大的们的许多参数都具有较大的温度系数温度系数。当温度变。当温度变化时化时, , 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变

18、化及霍尔系数都将发生变化, ,致使霍尔电动势变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。产生温度误差。 以下是几种补偿方法：以下是几种补偿方法： 第22页/共96页2021-11-41 1、采用恒流源供电和输入回路并联电阻、采用恒流源供电和输入回路并联电阻思路：思路：由由U UHH=K=KHHIBIB可见恒流源可见恒流源I I供电可使供电可使U UH H稳定，稳定，但灵敏度系数但灵敏度系数K KHH=R=RHH/d=/d /d=/d 也是温度的函数：也是温度的函数：T T ，温度温度T T变化时灵敏度变化时灵敏度KHKH也变化。也变化。多数霍尔器件是正温度系数，多数霍尔器件是正温度系数，T KT

19、KH H ，可通，可通过减小过减小I I保持保持KHKH* *I I不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成K KH H增加的增加的影响。影响。第23页/共96页2021-11-4不变。的分流作用）并联电阻由HPiiHHHURIRTKTIBKU(0;01 1、采用恒流源供电和输入回路并联电阻、采用恒流源供电和输入回路并联电阻第24页/共96页2021-11-4 温度温度 时，元件灵敏度系数为时，元件灵敏度系数为 , ,输入输入电阻为电阻为 ，温度为，温度为t t时，他们分别时，他们分别为为 ，0Hk0iR0tHtkitR001()HtHkktt001()itiRRttPHIII因为因为PPHHI

20、RI RPHPiR IIRR因此因此霍尔元件内阻温度系数霍尔元件内阻温度系数霍尔电势的温度系数霍尔电势的温度系数确定并联电阻的值：确定并联电阻的值：第25页/共96页2021-11-4温度为温度为t t时时001()PPHtPitPiRRIIIRRRRtt0000PHPiR IIRR温度温度 时时0t为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证00HHHtHtkIBk I B第26页/共96页2021-11-4将有关式代入可得将有关式代入可得0PiRR通常通常霍尔电势的温度系数霍尔电势的温度系数远小于远小于霍尔元件内霍尔元件内阻温度系数阻温度系数，因此，因此0P

21、iRR霍尔元件内阻温度系数霍尔元件内阻温度系数霍尔电势的温度系数霍尔电势的温度系数第27页/共96页2021-11-42 2、合理选取负载电阻、合理选取负载电阻 的阻值的阻值LR00001()1()LHLLoR UttURRtt使使00()LdUd tt得得01LoRR第28页/共96页2021-11-43 3、采用恒压源和输入回路串联电阻、采用恒压源和输入回路串联电阻4 4、采用温度补偿元件、采用温度补偿元件( (如热敏电阻、电阻丝等如热敏电阻、电阻丝等) )第29页/共96页2021-11-4第30页/共96页2021-11-4霍尔元件不等位电势霍尔元件不等位电势 的温度补偿的温度补偿0U

22、第31页/共96页2021-11-4（一）（一） 霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器霍尔元件处于中间位置位移霍尔元件处于中间位置位移x=0 x=0时，由于时，由于B=0B=0，所以，所以U UH H=0=0霍尔元件右移霍尔元件右移, x0, x0，合成，合成磁感应强度磁感应强度B B向上向上,B0,B0， U UH H0 0 霍尔元件左移，霍尔元件左移，x0 x0，合成，合成磁感应强度磁感应强度B B向下向下,B0,B0，U UH H00。七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用第32页/共96页2021-11-4.HHdUIdBRKconstdxddx则Bx0.dBconstdx若HUKxx=

23、?磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：1 2 mmHHIBURdNNSSIx磁钢第33页/共96页2021-11-42、霍尔压力传感器、霍尔压力传感器工作原理：工作原理： 把压力先转换成位移，应用霍尔电势与位移的关系把压力先转换成位移，应用霍尔电势与位移的关系测量压力。测量压力。3、霍尔磁极检测器、霍尔磁极检测器(图图4.43)工作原理：工作原理： 在控制电流一定的情况下，通过霍尔电压的极性可在控制电流一定的情况下，通过霍尔电压的极性可判断磁场的方向，即确定磁铁磁极。判断磁场的方向，即确定磁铁磁极。霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 第34页/共96页202

24、1-11-44 4、转速测量、转速测量转角HV02转角HV0NS霍尔元件永磁体被测轴永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端NS被测轴霍尔元件永磁体永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧第35页/共96页2021-11-45 5、测量电流、测量电流测量大直流电流（测量大直流电流（10kA10kA），），霍尔元件测量电流原理：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流原理：检测通电导线周围的磁场（1 1）导线旁测法）导线旁测法HVIBCI简单、测量精度差、简单、测量精度差、受外界干扰大受外界干扰大第36页/共96页2021-11-4（2 2）导线贯穿磁芯法）导线贯穿磁芯法I霍尔元件通电导线导磁铁芯环形铁芯集中磁力

25、线，环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度提高电流测量精度（3 3）绕线法）绕线法用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。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，把被测通电导线绕在导磁铁心上，第37页/共96页2021-11-4 由霍尔元件装配键体而成的开关电键。由霍尔元件装配键体而成的开关电键。 工作原理：工作原理： 用磁体作为触发媒介，当磁体接近霍尔电路时，产生一个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。号的。 特点：无触点按键开关

26、特点：无触点按键开关6 6、霍尔开关按键、霍尔开关按键第38页/共96页2021-11-4（一）、霍尔开关集成传感器（一）、霍尔开关集成传感器霍尔效应霍尔效应集成电路技术集成电路技术开关信号开关信号磁敏传感器磁敏传感器 霍尔开关集成传感器是利用霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路霍尔效应与集成电路技术结合技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量量( (测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性) )，并以开关信号形式输，并以开关信号形式输出，分为常开、常闭型两种。出，分为常开、常闭型两种。

27、 八、霍尔集成传感器八、霍尔集成传感器第39页/共96页2021-11-4 由由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出开路输出五部分组成。五部分组成。 稳压电路可使传感器在较稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。便地与各种逻辑电路接口。 1 1霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器内部结构框图霍尔开关集成传感器内部结构框图2 23 3输出输出+ +稳压稳压V VCCCC1 1霍尔元件霍尔元件放大放大BTBT

28、整形整形地地H H第40页/共96页2021-11-4霍尔开关集成传感器的原理及工作过程：霍尔开关集成传感器的原理及工作过程： 当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压元件输出霍尔电压V VH H，该电压经放大器放大后，送至施密特，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。整形电路。 当放大后的当放大后的V VH H电压大于电压大于“开启开启”阈值阈值时，时，施密特整形电路施密特整形电路翻转，输出高电平，翻转，输出高电平，使半导体管使半导体管V V导通，且具有吸收电流的导通，且具有吸收电流的负载能力，这种状态我们称它为负载

29、能力，这种状态我们称它为开状态开状态。 当磁场减弱时，霍尔元件输出的当磁场减弱时，霍尔元件输出的V VH H电压很小，经放大器放电压很小，经放大器放大后其值也大后其值也小于施密特整形电路的小于施密特整形电路的“关闭关闭”阈值阈值，施密特整，施密特整形器形器再次翻转，输出低电平再次翻转，输出低电平，使半导体管，使半导体管V V截止，这种状态截止，这种状态我们称它为我们称它为关状态关状态。 这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。关动作。第41页/共96页2021-11-4 3020T输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路

30、（a）外型 霍尔开关集成传感器的外型及应用电路123第42页/共96页2021-11-42 2、工作特性、工作特性）（TB）（VVOUTON2OFFOPBRPBHB 工作点工作点“开开”OPB 释放点释放点“关关”RPB 磁滞磁滞HB高高低，开状态低，开状态OPBBRPBB低低高，关状态高，关状态第43页/共96页2021-11-4注：注：该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于关系。当外加磁感强度高于B BOPOP时，输出电平由高时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于B

31、BRPRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。 霍耳开关集成传感器的技术参数：霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压工作电压 、磁感应强度、输出截止电、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。压、输出导通电流、工作温度、工作点。第44页/共96页2021-11-4（二）线性霍尔集成电路（二）线性霍尔集成电路( (测位移、测振动测位移、测振动) ) 输出电压在一定范围与磁感应强度输出电压在一定范围与磁感应强度B B成线性关系。成线性关系。 构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失

32、调调整、线性度调整失调调整、线性度调整ccVOUTV稳压地123ccV输出稳压地3418输出567R第45页/共96页2021-11-4)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度100R0R15R 第46页/共96页2021-11-43 3霍尔开关集成传感器的应用霍尔开关集成传感器的应用 （1 1）霍尔开关集成传感器的接口电路）霍尔开关集成传感器的接口电路R RL LV VACACV VccccV VccccV VACAC第47页/共96页2021-11-4VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACR

33、L第48页/共96页2021-11-4（2 2）用霍尔开关集成传感器控制电机的通断）用霍尔开关集成传感器控制电机的通断4.7KDPST-525MS N12V1.1KC0.1VT第49页/共96页2021-11-4工作原理：工作原理： 当永久磁铁靠近霍尔集成传感器当永久磁铁靠近霍尔集成传感器PST-525PST-525时，传感器输出端输出高电平，三极时，传感器输出端输出高电平，三极管管VT(PNP)VT(PNP)截止，直流电机截止，直流电机M M失电停止运转。当永久磁铁离开霍尔集成传感器时，传失电停止运转。当永久磁铁离开霍尔集成传感器时，传感器输出端输出低电平，感器输出端输出低电平，VTVT导通

34、，导通，M M得电运转。得电运转。 第50页/共96页2021-11-44.3 4.3 磁阻元件磁阻元件 一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称也称MRMR元件。它的理论基础为元件。它的理论基础为磁阻效应磁阻效应。（一）磁阻效应（一）磁阻效应载流导体置于磁场中载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外除了产生霍尔效应外,导体中载流导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向的偏转使电载流子运动方向的偏转使电流路径变化流路径变化,起到了起到了加大电阻加大电阻的作用的作用,磁场越强增大电阻的作用磁场越强增大电阻的作用越强。外加

35、磁场使导体越强。外加磁场使导体(半导体半导体)电阻随磁场增加而增大的现象电阻随磁场增加而增大的现象称称磁阻效应磁阻效应第51页/共96页2021-11-4220(10.273)BB磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电B 磁感应强度为磁感应强度为B B时的电阻率时的电阻率0 零磁场下的电阻率零磁场下的电阻率 电子迁移率电子迁移率 磁感应强度磁感应强度B式中，式中，0B电阻率变化电阻率变化22200.273()BkB电阻率相对变化电阻率相对变化磁敏电阻：磁敏电阻：InSbInSb、InAsInAs第52页/共96页2021-11-4形状效应：形状

36、效应： 磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁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称为形状效应。阻大小变化的现象称为形状效应。 考虑到形状效应，上述关系可近似表示为：考虑到形状效应，上述关系可近似表示为： f(l/b)为形状效应系数。为形状效应系数。20()1( / )k Bf l b第53页/共96页2021-11-4( (二二) ) 磁阻元件的结构及原理磁阻元件的结构及原理由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力, ,磁阻效应被大大减弱磁阻效应被大大减弱, , 但仍然存在。

37、磁阻元件的电阻率与形状有关：但仍然存在。磁阻元件的电阻率与形状有关：长方形样品 扁条状长形 圆盘样品电阻变化很小 磁阻变化明显 不产生霍尔电场HHUEb第54页/共96页2021-11-4 长方形样品：长方形样品：霍尔电场作用霍尔电场作用F FH H, ,电阻变化很小。电阻变化很小。 扁条状长形：扁条状长形：霍尔电势霍尔电势E EH H很小电流磁场作用偏转厉害效应很小电流磁场作用偏转厉害效应 明显。明显。 圆盘样品：圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电极，外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电极， 路径增大电阻增加。在圆盘中任何地方都不路径增大电阻增加。在圆盘中任何地方都不会会 积累电

38、荷也不会产生霍尔电场。积累电荷也不会产生霍尔电场。扁条形L Lb bb bb bv为了消除霍尔电场影响获为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应得大的磁阻效应, ,一般将磁一般将磁敏电阻制成敏电阻制成圆形或圆形或扁条扁条形形，并且长方形的满足并且长方形的满足 L/b 1L/b WLW长方形磁阻材料上面制作长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图这种栅格磁阻器件如图2.6-382.6-38（b b）所示，就相当于许多扁条）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器状磁阻串联。所以栅格磁

39、阻器件既增加了零磁场电阻值、又件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。提高了磁阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。LWBBII（a）（b）第56页/共96页2021-11-41 1、灵敏度特性、灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。电阻特性的斜率。 常用常用K K表示，单位为表示，单位为mV/mA.kGmV/mA.kG即即

40、.Kg.Kg。 在运算时常用在运算时常用R RB B/R/R0 0求得，求得，R R0 0表示无磁场情况下，表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，磁阻元件的电阻值，R RB B为在施加为在施加0.3T0.3T磁感应强度时磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于阻元件的灵敏度大于2.72.7。 （三）（三） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性第57页/共96页2021-11-42 磁场电阻特性 磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S级(a) S、N级之间电阻特性B/T15R

41、BR0105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的电阻值与磁场的极性无磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加关，它只随磁场强度的增加而增加在在0.1T0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过平方特性，而超过0.1T0.1T后呈现线性后呈现线性变化变化第58页/共96页2021-11-4输出电压V磁饱和点B=Bs0(b)磁场输出特性H从图中可以看出它与磁阻元件曲线相反，即从图中可以看出它与磁阻元件曲线相反，即随着磁场的随着磁场的增加，电阻值减

42、少。增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。即饱和。一般电阻变化为百分之几。 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线第59页/共96页2021-11-43 3 电阻电阻温度特性温度特性10384210242106-4002060100温度/电阻变化率%半导体元件电阻-温度特性曲线从图中可以看出，从图中可以看出，半导体磁阻元件的半导体磁阻元件的温度特性不好温度特性不好。图。图中的电阻值在中的电阻值在3535的变化范围内减小的变化范围内减小了了1/21/2。因此，在。因此，在应用时，一般都要应用时，一般都要设计温度补偿电路。设计温度补偿

43、电路。第60页/共96页2021-11-4强磁磁阻元件的电阻强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线温度特性曲线： 强磁阻元件电阻-磁场特性曲线图中分别给出了采用恒图中分别给出了采用恒流、恒压供电方式时的流、恒压供电方式时的温度特性。温度特性。 采用恒流供电时，可采用恒流供电时，可以获得以获得500ppm/500ppm/的良的良好温度特性，好温度特性， 而采用恒压供电时却而采用恒压供电时却高达高达3500ppm/3500ppm/。 但是由于强磁磁阻元但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因件为开关方式工作，因此常用恒压方式。此常用恒压方式。13010050电阻变化率%-30BX10-4/T电阻+3500p

44、pm/0 输出(恒流工作) - -500ppm/ 输出(恒压工作) - -3500ppm/60第61页/共96页2021-11-4（三）磁敏电阻的应用（三）磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度开关、角速度/ /角位移传感器、磁场传感器等。可角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、用于开关电源、UPSUPS、变频器、伺服马达驱动器、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅

45、、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。 第62页/共96页2021-11-44.4 4.4 磁敏二极管磁敏二极管 1 1磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理 （1 1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 磁敏二极管的结构和电路符号磁敏二极管的结构和电路符号(a)(a)结构结构; (b); (b)电路符号电路符号+ +（b b）H H+ +H H- -N

46、 N+ +区区p p+ +区区i i区区r r区区电流电流（a a）第63页/共96页2021-11-4特点：磁敏二极管的特点：磁敏二极管的PNPN结有很长的基区结有很长的基区，大于载，大于载流子的扩散长度，基区是由接近本征半导体的高流子的扩散长度，基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。阻材料构成的。结构：结构：在本征半导体的两端用合金法制成高掺杂在本征半导体的两端用合金法制成高掺杂的的P P型和型和N N型型两个区域，并在本征区（两个区域，并在本征区（i i）区的一个）区的一个侧面上，设置侧面上，设置粗糙的高复合区粗糙的高复合区(r(r区区) )，而与，而与r r区相区相对的另一侧面，保持

47、为对的另一侧面，保持为光滑无复合表面光滑无复合表面。这就构。这就构成了磁敏二极管的管芯。成了磁敏二极管的管芯。第64页/共96页2021-11-4（2 2）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负区接电源负极即外加极即外加正偏压正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，流过二极管的电流也在变化，也就是说化，流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。等效电阻随着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极管会有这种特性呢为什么磁敏二极管会有这种特性呢? ?下面作一

48、下面作一下分析。下分析。 第65页/共96页2021-11-4P PN NP PN NP PN NH H=0=0H H+ +H H- -电流电流电流电流电流电流 (a) (a) (b) (b) (c) (c)i ii ii i电子电子孔穴孔穴复合区复合区磁敏二极管的工作原理示意图磁敏二极管的工作原理示意图磁场磁场H=0H=0： 少量电子和空穴在少量电子和空穴在I I区、区、r r区区复合，大部分复合，大部分P P区空穴区空穴N N区区电子形成电流。电子形成电流。正向磁场正向磁场H H+ +： 电子和空穴由于洛仑兹电子和空穴由于洛仑兹力作用偏向力作用偏向r r区，并在区，并在r r区很区很快复合

49、，快复合，I I区载流子减小，区载流子减小，电电阻增大，阻增大，电流减小，压降增电流减小，压降增加。加。反向磁场反向磁场H- H- ： 电子和空穴偏向电子和空穴偏向r r区对面，区对面，复合减少，复合减少，I I区载流子增加，区载流子增加，电阻减小，电流增加，压降电阻减小，电流增加，压降减小。减小。第66页/共96页2021-11-4结论结论( (磁敏二极管工作原理磁敏二极管工作原理) )：随着磁场大小和方随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化向的变化，可产生正负输出电压的变化，特别是，特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r r

50、区和区和r r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。管的灵敏度就越高。 磁敏二极管反向偏置时，则在磁敏二极管反向偏置时，则在r r区仅流过很微区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 第67页/共96页2021-11-4 2 2磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性 （1 1）伏安特性伏安特性 。213579U/VI/mA00 . 2T0.15T0.1T0.05T-0.05T-0.1T-0.15T-0.2T

51、0磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线（a a）锗锗磁敏二极管磁敏二极管 在给定磁场在给定磁场情况下，磁敏二情况下，磁敏二极管两端极管两端正向偏正向偏压压和通过它的和通过它的电电流流的关系曲线。的关系曲线。第68页/共96页2021-11-4磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线（b b）硅二极管）硅二极管531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.40 硅磁敏二极管硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式：的伏安特性有两种形式：u 一种如图（一种如图（b b）所示，）所示，开始在较大偏压范围内，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随电

52、流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表特性曲线上升很快，表现出其现出其动态电阻比较小动态电阻比较小。第69页/共96页2021-11-4磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线（c c）硅二极管）硅二极管-0.2531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.30u 另一种如图另一种如图(c)(c)所示。硅磁所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象负阻现象，即电流急增的同时，即电流急增的同时，有有偏压突然跌落偏压突然跌落的现象。的现象。u 产生负阻现象的原

53、因产生负阻现象的原因是高阻是高阻硅的热平衡载流子较少，且注硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开填满复合中心之后，电流才开始急增。始急增。第70页/共96页2021-11-4（2 2）磁电特性）磁电特性 u 在给定条件下，磁敏二极管的在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与输出电压变化量与外加磁场间外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。性。 u 具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。但正具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。但正向磁

54、灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用。向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用。 第71页/共96页2021-11-4 磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线（a a）单个使用时）单个使用时B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0U/V 磁敏二极管单个使用时的磁电特性曲线磁敏二极管单个使用时的磁电特性曲线：特点：特点：单个使用时，正向磁灵敏单个使用时，正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度；度大于反向磁灵敏度；第72页/共96页2021-11-4 磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线（b b）互补使用时

55、）互补使用时B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/V 磁敏二极管互补使用时的磁电特性曲线磁敏二极管互补使用时的磁电特性曲线：特点：特点：互补使用互补使用时，正向特性时，正向特性曲线与反向特性曲线基曲线与反向特性曲线基本对称。磁场强度增加本对称。磁场强度增加时，曲线有饱和趋势；时，曲线有饱和趋势；但在但在弱磁场下，曲线有弱磁场下，曲线有较好的线性较好的线性。 第73页/共96页2021-11-4（3 3）温度特性）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出温度特性是指在标准测试条件下，输出电压电压变化量变化量 （或

56、无磁场作用时中点电压（或无磁场作用时中点电压 ）随）随温度温度变化的规律，如下图所示：变化的规律，如下图所示： muu第74页/共96页2021-11-4U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二极管温度特性曲线磁敏二极管温度特性曲线( (单个使用时单个使用时) )U由图可见，由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大磁敏二极管受温度的影响较大。第75页/共96页2021-11-400100%BuuuSu（4 4）磁灵敏度）磁灵敏度 磁敏二极管的磁敏二极管的三种三种磁灵敏度：磁灵敏度： (a)(a)电压相对磁灵敏度（电

57、压相对磁灵敏度（Su）: : 在恒流条件下，偏压随磁场的变化在恒流条件下，偏压随磁场的变化, ,即：即：u0磁场强度为零时，二极管两端的电压；磁场强度为零时，二极管两端的电压； uB磁场强度为磁场强度为B B时，二极管两端的电压。时，二极管两端的电压。第76页/共96页2021-11-4(b)(b)电流相对磁灵敏度（电流相对磁灵敏度（Si）: : 在恒压条件下，偏流随磁场的变化在恒压条件下，偏流随磁场的变化, ,即：即：00100%BiIISII0磁场强度为零时，通过二极管的电流；磁场强度为零时，通过二极管的电流； IB磁场强度为磁场强度为B B时，通过二极管的电流。时，通过二极管的电流。第7

58、7页/共96页2021-11-4(c)(c) 按照标准测试，在给定电压源按照标准测试，在给定电压源E E和负载电阻和负载电阻R R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：灵敏度定义如下： 00100%BRuuuSu00100%BRIIISI特别注意特别注意: :如果使用磁敏二极管时的情况和元件出如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。 第78页/共96页2021-11-4(5)(5) 磁敏二极管的温度补偿技术：磁敏二极管的温度补偿技术： 由于磁敏二极管受温度的影响较

59、大由于磁敏二极管受温度的影响较大，在实，在实际应用中会带来很大的误差，为了提高测试精际应用中会带来很大的误差，为了提高测试精度，必须进行补偿处理，补偿电路有：度，必须进行补偿处理，补偿电路有： 互补式、半桥式、全桥式、热敏电阻互补式、半桥式、全桥式、热敏电阻式式第79页/共96页2021-11-44.5 4.5 磁敏三极管磁敏三极管 1 1磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理（1 1）磁敏三极管的结构）磁敏三极管的结构 NPNNPN型磁敏三极管是在弱型磁敏三极管是在弱P P型近本征半导体上，用型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个极合金法或扩散法形成三个极即发射极、基极、即发射极、

60、基极、集电极所形成的半导体元件。集电极所形成的半导体元件。 在长基区的侧面制成一个复合速率很高的在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合高复合区区r r。长基区分为输运基区和复合基区两部分。长基区分为输运基区和复合基区两部分。第80页/共96页2021-11-4图图2.6-33 NPN2.6-33 NPN型磁敏三极管的结构和符号型磁敏三极管的结构和符号a)a)结构结构 b)b)符号符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i第81页/共96页2021-11-4 当不受磁场作用时，当不受磁场作用时，由于磁敏三极管的由于磁敏三极管的基区宽基区宽度大于载流子有效扩散长度大于载流子有效扩散长度，