第7章 磁敏传感器

1、 一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻三、磁敏电阻 第第5 5章章 磁敏传感器磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 （一）霍耳效应（一）霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。生电动势的现象。+ +I I+ + + + + + + + + + + +l lb bd d霍耳效应原理图霍耳效应原理图V VH H（二）霍耳磁敏传感器工作原理（二）霍耳磁敏传感器工作原理 设霍耳片的长度为设霍耳片的长度为l，宽度为，宽度为w，厚度为，厚度为d

2、。又设电子以均匀。又设电子以均匀的速度的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛仑兹力洛仑兹力e电子电量电子电量(1.6210- -19C)； v电于运动速度。电于运动速度。 同时，作用于电子的同时，作用于电子的电场力电场力 evBfLbeVeEfHHE/bVvBH/当达到动态平衡时当达到动态平衡时dnevbdjbIdnebIv/pedIBVH/霍耳电势霍耳电势VH与与 I、B的乘积成正比，而与的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：成反比。于是可改写成： dIBRVHHHR电流密度电流密度j=nevn nN N型半导体型

3、半导体中的电子浓度中的电子浓度N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。霍耳系数，由载流材料物理性质决定。p pP P型半导体型半导体中的孔穴浓度中的孔穴浓度型）（型）（PepRNenRHH11 金属材料，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高但很高但很小。故为获很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。设设 KH=RH / d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度物理性质和几何尺寸有

4、关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。和单位控制电流时霍耳电势的大小。 若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线的方向与霍耳器件的平面法线夹角为夹角为时，霍耳电时，霍耳电势势应为：应为： VH KH I B VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出出霍耳电霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，方向时，霍耳电霍耳电势并不改变方向。势并不改变方向。（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）霍耳器件片霍耳器件片(a)a)实际

5、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 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电流极电流极霍耳电极霍耳电极R R4 4A AB BC CD DR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4（c c） 霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子C、D相应地称为相应地称为霍耳端霍耳端或输出端。或输出端。 若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负

6、载,称为霍耳称为霍耳负载电阻负载电阻或霍耳负或霍耳负载。载。 电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电阻输入电阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。 霍耳端子间的电阻，称霍耳端子间的电阻，称为为输出电阻输出电阻或霍耳侧内部电或霍耳侧内部电阻。阻。 器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流)：流入到器件内的电流。：流入到器件内的电流。 电流端子电流端子A、B相应地称为器件相应地称为器件电流端电流端、控制电流端或输、控制电流端或输入电流端。入电流端。H图图2.6-4 霍耳器件符号霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统

7、一及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。暂规定下列名称的符号。 控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势VH；控制电压控制电压V；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻R3；霍耳电流霍耳电流IH。 图中控制电流图中控制电流I由电源由电源E供给供给, ,R为调节电阻为调节电阻, ,保证器件内保证器件内所需控制电流所需控制电流I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3, ,R3可是一般电阻或放可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件垂直通过霍耳器件, ,在磁场与

8、控制电流作用下，由负载上获得电压。在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路霍耳器件的基本电路R 实际使用时实际使用时, ,器件输入信号可以是器件输入信号可以是I I或或B B，或者，或者IB,IB,而输出而输出可以正比于可以正比于I I或或B, B, 或者正比于其乘积或者正比于其乘积IBIB。（四）、基本特性（四）、基本特性 1、直线性、直线性： 指霍耳器件的输出电势指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数分别和基本参数I、V、B之间呈之间呈线性关系。线性关系。V VH H=K=KH HBI BI 2 2、灵敏度、灵敏度： 可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及

9、电流灵敏度、电势灵可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：敏度表示： K KH H乘积灵敏度，表示霍耳电势乘积灵敏度，表示霍耳电势V VH H与磁感应强度与磁感应强度B B和控制和控制电流电流I I乘积之间的比值，通常以乘积之间的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。 因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定, ,故称为故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。 KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应场灵敏度等于霍耳元件通以额定电

10、流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。常用于磁场测量等情况。 KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。若若控制电流值固定控制电流值固定，则：，则：VHKBB若若磁场值固定磁场值固定，则：，则：VHKI I3 3、额定电流、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4 4、最大输出功率、最大输出功率：在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输：在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有

11、关，当霍耳电极间的内阻出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R R2 2等于霍耳负载电等于霍耳负载电阻阻R R3 3时，霍耳输出功率为最大时，霍耳输出功率为最大。 22max4/ RVPHO5 5、最大效率、最大效率：霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，：霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6 6、负载特性、负载特性：当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，：当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍在其

12、内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。便失去了线性关系。如图所示。 80806060404020200 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0V VH H/mV/mV=7.0=7.0=1.5=1.5=3.0=3.0B B/T/T理论值理论值实际值实际值V VH HR R3 3I I霍耳电势的负载特性霍耳电势的负载特性=R=R3 3/R/R2 2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况霍耳电势随负载电阻值而改变的情况 7 7、温度特

13、性、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。的关系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a a）R RH H与温度的关系；（与温度的关系；（b b）与温度的关系与温度的关系R RH H/cm/cm2 2/A A-1-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT/0 02 24 46 6/7/710

14、10-3-3cmcmLnAsLnAs2002001501501001005050LnSbLnSbT/0 0 双重影响双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。二者相反。8 8、频率特性、频率特性u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特器件的频率特性很好，到性很好，到10kHz10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此时交流输出还与直流情况相同。因此, ,霍耳霍耳器件可用于微波范围器件可用于微波范围, ,其输出不受频率影响。其输出不受频率影响。 u磁场交变。磁场交变。

15、霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数导率、周围介质的磁导率及磁路参数( (特别是气隙宽度特别是气隙宽度) )等有等有关。关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故部产生涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十总之，在交变磁场下，当频率为数十kHzkHz时，可以不考虑时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数频率对器件输出的影响，即使在数MHzMHz时，如果能仔细设计气时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有

16、隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。良好的频率特性的。 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感电路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量，并以知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形开关信号形式输出式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。（五）（五） 霍耳

17、开关集成传感器霍耳开关集成传感器 由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。出五部分组成。 稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。口。 1 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理 霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出输出+稳压稳压VCC1霍耳元件霍耳元件放大放大BT整形整形地地H 3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b

18、）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路1232 2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞B BH H，这对开关动作的可靠性非常有利。这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的图中的B BOPOP为工作点为工作点“开开”的磁感应强度，的磁感应强度，B BRPRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。 霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压 、磁感应强度、输出截、

19、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线V VOUTOUT/V/V1212ONONOFFOFFB BRPRPB BOPOPB BH HB B0 0 该曲线反映了外该曲线反映了外加磁场与传感器输出加磁场与传感器输出电平的关系。当外加电平的关系。当外加磁感强度高于磁感强度高于B BOPOP时，时，输出电平由高变低，输出电平由高变低，传感器处于开状态。传感器处于开状态。当外加磁感强度低于当外加磁感强度低于B BRPRP时，输出电平由低时，输出电平由低变高，传感器处于关变高，传感器

20、处于关状态。状态。 3 3霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 （1 1）霍耳开关集成传感器的接口电路）霍耳开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL 磁铁轴心接近式磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下， 霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L L1 1- -B B关系曲线关系曲线N NS SAlNiCoAlNiCo 磁铁磁铁6.46.432320

21、.100.100.080.080.060.060.040.040.020.020 02.52.55 57.57.5101012.512.5151517.517.52020距离距离L L1 1/mm/mmB B/T/TL L1 1随磁铁与传感器的间隔随磁铁与传感器的间隔距离的增加距离的增加, ,作用在传感作用在传感器表面的磁感强度衰减器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时接近到一定位置时, ,传感传感器开关接通器开关接通, ,而磁铁移开而磁铁移开到一定距离时开关关断。到一定距离时开关关断。应用时应用时, ,如果磁铁已选定如果磁铁已选定, ,则应按具体的应用场

22、合则应按具体的应用场合, ,对作用距离作合适的选对作用距离作合适的选择。择。 （2）给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式在传感器前方通过。的方式在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L L2 2-B-B关系曲线关系曲线0.100.100.080.080.060.060.040.040.020.020 02.52.55 57.57.5101012.512.5151517.517.52020B

23、/TB/TN NS S空隙空隙2.052.05AlNiCoAlNiCo 磁铁磁铁6.46.43232L L2 2距离距离L L2 2/mm/mm采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。用下列方法增强传感器的磁感应强度。S SN N磁力集中器磁力集中器传感器传感器磁铁磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图S SN N磁

24、力集中器磁力集中器传感器传感器磁铁磁铁铁底盘铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图SN磁铁磁铁磁力集中器磁力集中器传感器传感器 带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁磁感感应应强强度度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图 (a)(a)加磁力集中器的移动激励方式加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例(b)(b)推拉式推拉式 两个磁铁的两个磁铁的S S极都面对传感器，这样可以得到如图所示极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性

25、。的较为线性的特性。N N S SS S N N传感器传感器图图2.6-20 2.6-20 推拉式激励磁场示意图推拉式激励磁场示意图图图2.6-21 2.6-21 推拉式推拉式L L1 1-B-B关系曲线关系曲线距离距离L L1 1/mm/mmB/TB/T0.050.05-0.05-0.050 0-10-10-5-50 05 510101515-15-15 注注 意：意：磁铁磁铁S S极作用于传感器背面，会抵消传感器极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁正面磁铁S S极的激励作用。极的激励作用。(c)(c)双磁铁滑近式双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的为激励传感器开关的接通，

26、往往把磁铁的S S极对着传感器极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的N N极对着传极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。感器的背面，就会获得大得多的磁场。传感器传感器滑近滑近S S N N N N S S 图图2.6-22 2.6-22 双磁铁滑近式结构示意图双磁铁滑近式结构示意图 (d)(d)翼片遮挡式翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感

27、器被磁铁激励而导通；当翼片传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。图图2.6-23 2.6-23 翼片遮挡器的形状翼片遮挡器的形状片状片状筒状筒状 霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等电流的测定与控制、位置及角度的检测等等(e) (e) 偏磁式偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁在传感器背面放置固定的磁铁加入

28、偏磁，就可以改变，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的N N极粘附在传感极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。 4.霍耳开关集成传感器的应用领域 1 1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外例关系。这类传感器一般由霍耳元件

29、和放大器组成，当外加磁场时加磁场时, ,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压, ,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器出却是对外加磁场的线

30、性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。两种，其电路结构如下图。（六）霍耳线性集成传感器（六）霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图2 23 3输出输出+ +稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H稳压稳压H H3 3V VCCCC地地4 4输出输出输出输出1 18 86 67 75 5 双端输出传感器的电路结构框图双端输出传

31、感器的电路结构框图 单端输出的传感器是单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典放大到较高的电平。其典型产品是型产品是SL3501TSL3501T。 双端输出的传感器是双端输出的传感器是一个一个8 8脚双列直插封装的器脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是调调零。其典型产品是SL3501MSL

32、3501M。2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1) 传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图： 磁感应强度磁感应强度B/TB/T5.65.64.64.63.63.62.62.61.61.6-0.3-0.3-0.2-0.2-0.1-0.10 00.10.10.20.20.30.3输输出出电电压压U/VU/V SL3501T SL3501T传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2 (2) ) 传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.160.200

33、.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线00.280.32R=0R=15R=100 （七）霍耳磁敏传感器的应用（七）霍耳磁敏传感器的应用 利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。领域中均得到了广泛应用。 利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的于固定

34、元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。 利用霍耳传感器制作的仪器利用霍耳传感器制作的仪器优点：优点： （1 1）、体积小，结构简单、坚固耐用。）、体积小，结构简单、坚固耐用。 （2 2）、无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪）、无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。声小。 （3 3）、装置性能稳定，寿命长，可靠性高。）、

35、装置性能稳定，寿命长，可靠性高。 （4 4）、频率范围宽，从直流到微波范围均可）、频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。应用。 （5 5）、霍耳器件载流子惯性小，装置动态特）、霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。这些缺点正逐步得到克服。测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAmAE ES SN NR R图图2.6-24 2.6-24 霍耳磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁

36、原理示意图磁方向图磁方向图西西90o东东0o北北南南180o270o 磁通集束器图中磁通集束器图中L Li i为集束器为集束器的总长度，的总长度，L La a为集束器中部的为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁通密度空隙距离，霍耳器件磁通密度B Ba a比外部磁通密度比外部磁通密度B B0 0约增强约增强L Li i/L/La a倍。倍。 图为均匀磁场中使用图为均匀磁场中使用集束器集束器(实线实线)和不使用磁和不使用磁集束器集束器(用虚线表示用虚线表示)时的时的磁方向图磁方向图 E ER RV VH HB B0 0L La aB Ba aL Li i磁通集束器原理图磁通集束器原理图21材料材料温度

37、温度(K)(K)R RH HInSbInSb787846460.050.052727110110InAsInAs78787.57.50.0090.0096506506.86.8SiSi78781 150.050.050507070410410410310310310310310表表2.6-2 2.6-2 几种导体材料在低温下的性能几种导体材料在低温下的性能 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度换元件。它们具

38、有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。方面得到普遍应用。 （一）磁敏二极管的工作原理和主要特性（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 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 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管区别：普通二极管PNPN结的基区很短

39、，以避免载流子在基区结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的里复合，磁敏二级管的PNPN结却有很长的基区，大于载流子结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用的。一般锗磁敏二级管用=40cm=40cm左右的左右的P P型或型或N N型单晶型单晶做基区做基区( (锗本征半导体的锗本征半导体的=50cm)=50cm)，在它的两端有，在它的两端有P P型和型和N N型锗，并引出，若型锗，并引出，若代表长基区，则其代表长基区，则其PNPN结实际上是由结实际上是由P P结和结和N N结

40、共同组成。结共同组成。 以以2ACM1A2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是为例，磁敏二级管的结构是P P+ +iNiN+ +型。型。+ +（b b）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H H+ +H H- -N N+ +区区p p+ +区区i i区区r r区区电流电流（a a） 在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区域，并在型两个区域，并在本征区（本征区（i i）区的一个侧面上，设置高复区的一个侧面上，设置高复合区合区(r(r区区) )，而与，而与

41、r r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。 流过二极管的电流过二极管的电流也在变化，也就是流也在变化，也就是说二极管等效电阻随说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极为什么磁敏二极管会有这种特性呢管会有这种特性呢? ?下面作一下分析。下面作一下分析。 （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区接电源负极即外加区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场

42、的变化，正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，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P PN NP PN NP PN NH=0H=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结结 论：论：随着磁场大小和方向的变化，随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r r区和区和r r区之外的复合能力之差越大，那么磁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。敏二极

43、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区仅流区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因过很微小的电流，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而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。任何改变。 2磁敏二极管的主要特征 （1 1）伏安特性）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。它的电流的关系曲线。- -0.20.22 21 13 35 57 79 9U/U/V VI I/mA/mA0 00 . 20 . 2T T0.15T0.15T0.1T0

44、.1T0.05T0.05T- -0.05T0.05T（a a）5 53 31 1I I/mA/mA4 46 68 81010U U/V/V - -0.30.3 -0.2-0.2 -0.1-0.1 0 0 0.10.1 0.20.2 0.3 0.30 .0 .4 4（b b）5 53 31 1I I/mA/mA4 48 812121616U U/V/V-0.1-0.1 0 00 .0 .1 10 .0 .4 40 .0 .3 30 .0 .2 2-0.3-0.3（c c）图图2.6-29 2.6-29 磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线（a a）锗磁敏二极管（）锗磁敏二极管（b b）、

45、（）、（c c）硅二极管）硅二极管-0.1T-0.1T-0.15T-0.15T-0.2T-0.2T0 00 00 0 由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。一种如图形式。一种如图2.6-292.6-29（b b）所示，开始在较大）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图如图2.6-29(c)2.6-29(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性所

46、示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。压突然跌落的现象。 产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载产生负阻现象的原因是高阻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流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。后，电流才开始急增之故。 （2）磁电特性）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。

47、关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。 图图2.6-30 2.6-30 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 b）互补使用时）互补使用时B / 0.1TB / 0.1T1.01.0 2.02.0 3.03.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.0B / 0.1TB / 0.1T2.02.0- -1.01.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.

48、2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.03k3kR RE EE = 1 2 VE = 1 2 V（18V18V）T Td d=20=20（a a）（b b）U/VU/VU/VU/V 图图2.6-302.6-30给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。 （3 3）温度特性）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量 （或无磁场作用时中点电压（或无磁场作用时中点电压 ）随温度变化的规律，如）随温度变化的规律，如图所示。图所示。 muuU/VU/VT/T/0 020204

49、0400.20.20.40.40.60.60 .0 .8 81.01.0E=6VE=6VB = 0.1TB = 0.1T80806060- -2020I/mAI/mA-5-5-4-4-3-3-2-2-1-1I I图图2.6-31 2.6-31 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) )UU 由图可见，磁敏二极管受温度的影响由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，标准测试条件下，u u0 0的温度系数小于的温度系

50、数小于20mV20mV， 的温度系数小于的温度系数小于0.6%/0.6%/。而锗磁敏二极管而锗磁敏二极管u u0 0的温度系数小于的温度系数小于-60mV-60mV， 的温度系数小于的温度系数小于1.5%/1.5%/。所以，所以，规定硅管的使用温度为规定硅管的使用温度为-40-408585，而锗，而锗管则现定为管则现定为-40-406565。 uu（4 4）频率特性）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时频率响应时间与载流子的有效寿命相当。间

51、与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于硅管的响应时间小于1 1 ，即响应频率高达即响应频率高达1MHz1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz10kHz。sdBdB0.10.1-12-12-9-9-6-6-3-3 0 010101 10.010.01 图图2.6-32 2.6-32 锗磁敏三极管频率特性锗磁敏三极管频率特性f/kHzf/kHz%10000uuuhBu%10000IIIhBi(2.6-26)(2.6-27)（5 5）磁灵敏度）磁灵敏度 磁敏磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a a）在恒流条件下，）在恒流条件

52、下，偏压随磁场而变化的电压相对偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（磁灵敏度（huhu），即：），即： u 0u 0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 u Bu B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。 (b)(b)在恒压条件下，在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（灵敏度（hihi），即：），即： (c)(c)在给定电压源在给定电压源E E和负载电阻和负载电阻R R的条件下的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下 应特别注意，如果使用磁敏二极管

53、时的情况应特别注意，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，应重新测试其和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。灵敏度。 %10000uuuhBRu%10000IIIhBRI（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 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型近本征半导体型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件成的半导体元件,

54、 ,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区合区r r。长基区分为输运基区和复合基区两部。长基区分为输运基区和复合基区两部。图图2.6-33 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)结构结构 b)符号符号r rN N+ +N N+ +c ce eH H- -H H+ +P P+ +b bc ce eb ba a）b b）i i（2 2）磁敏三极管的工作原理）磁敏三极管的工作原理N N+ +N N+ +N N+ +c cc cc cy yy yy ye ee ee er rr rr rx xx xx xP P+ +P P+

55、 +P P+ +b bb bb bN N+ +N N+ +N N+ +（a a）（b b）（c c）图图2.6-34 2.6-34 磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0; (b)H=H(a)H=0; (b)H=H+ +;(c)H=H;(c)H=H- -1-1-运输基区；运输基区；2-2-复合基区复合基区1 12 2 当不受磁场作用如图2.6-34(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数 =IcIb1。 当受到H磁场作用如图2.6

56、-34（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。 当受 磁场使用如图2.6-34(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。 H/ /b b=5mA=5mAI Ib b=4mA=4mAI Ib b=3mA=3mAI Ib b=2mA=2mAI Ib b=1mA=1mAI Ib b=0mA=0mAI IC C1.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 02 24 46 68 81010V VCECE/V/V/mA/mAV VCECE/V/VI Ib b=3mA B=3mA B- -= =0.1T0.1TI Ib b

57、=3mA B=0=3mA B=0I Ib b=3mA B=3mA B+ +=0.1T=0.1T2 24 46 68 810101.01.00.80.80.60.60.40.40.20.20 0I IC C/mA/mA图图2.6-35 2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线磁敏三极管伏安特性曲线2 2磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 （1 1）伏安特性）伏安特性 图图2.6-35(b)2.6-35(b)给出了磁敏三极管在基极恒给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（流条件下（I Ib b=3mA=3mA）、磁场为）、磁场为0.1T0.1T时的集电极电流的变化；时的集电极电流的变化；图图2.6-3

58、5(a)2.6-35(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。线。 （2 2）磁电特性）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。性。3BCM3BCM（NPNNPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图2.6-2.6-3636所示。所示。由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。线。B B/0.1T/0.1TI Ic/mAc/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.11 15 52 23 34 4-1-1-2-

59、2-3-3 图图2.6-36 3BCM2.6-36 3BCM磁敏三极管电磁特性磁敏三极管电磁特性 (3)(3)温度特性温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM3ACM、3BCM3BCM磁敏三极磁敏三极管的温度系数为管的温度系数为0.80.8；3CCM3CCM磁敏三极管的温度系数为磁敏三极管的温度系数为-0 .6-0 .6。3BCM的温度特性曲线如图的温度特性曲线如图2 .6-37所示。所示。 图图2.6-37 3BCM2.6-37 3BCM磁敏三极管的温度特性磁敏三极管的温度特性(a)(a)基极电源恒压基极电源恒压 (b)(b)基极恒流基极恒流 (a) (a)

60、-20-200 0202040401.21.20.80.80.40.41.61.66060B=0B=0B=B=0.1T0.1TB=0.1TB=0.1TT/T/基极电源恒压基极电源恒压V Vb b=5.7V=5.7VI IC C/mA/mA基极恒流基极恒流I Ib b=2mA=2mAB=0B=01.21.20.80.80.40.4-20-200 0202040401.61.68080B=B=0.1T0.1TB=0.1TB=0.1TT/T/ (b) (b)I IC C/mA/mA 温度系数有两种：一种是静态集电极电流温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度的温度系数；一种是磁灵敏度系数；一