CP磁敏传感器市公开课一等奖省赛课获奖课件

1第五节磁敏传感器一、霍尔元件

霍尔效应——将导电体薄片置于磁感应强度为B磁场中，假如在a、b端通以电流I，则在c、d端就会出现电位差。abcd

霍尔效应原理：在磁感强度为B磁场中，电荷为q、运动速度为带电粒子，所受磁场力——洛仑兹力，为

CP磁敏传感器第1页2霍尔电势UH为霍尔常数磁感应强度电流与磁场方向夹角★霍尔元件普通由锗(Ge)、锑化铟(InSb)等半导体材料制成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。将霍尔片、稳压电源、温度赔偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即组成线性霍尔传感器。

CP磁敏传感器第2页3★霍尔传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。★开关型霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和集电极开路输出等部分组成。CP磁敏传感器第3页4关于施密特触发器施密特触发器工作特点：

①施密特触发器属于电平触发器件，适合用于迟缓改变信号，当输入信号到达某一定电压值时，输出电压会发生突变。

②电路有两个阈值电压。输入信号增加和降低时，电路阈值电压不一样，电路含有以下列图所表示传输特征。VT+VT_VT+VT_vovIvovICP磁敏传感器第4页5门电路组成施密特触发器vIVT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a)工作波形(b)传输特征曲线vI1CP磁敏传感器第5页6霍尔传感器应用1）直流无刷电机位置传感器，检测转子位置，以实现换向霍尔元件H2面向转子N极方向H2导通为低电平功率管VT2导通绕组W2经过电流IW2S转子顺时针旋转CP磁敏传感器第6页72）测转角CP磁敏传感器第7页82）测转角CP磁敏传感器第8页93）电流传感器/钳形表

当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线电流大小成正比，这一磁场能够经过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。

CP磁敏传感器第9页10叶片和齿轮位置传感器4）叶片和齿轮位置传感器CP磁敏传感器第10页115）汽车速度测量CP磁敏传感器第11页121一轴2一外壳3—电路4一定子5—线圈6一霍尔元件7一永磁转子6）电动自行车/霍尔电机CP磁敏传感器第12页137）铁磁材料裂纹检测

NSCP磁敏传感器第13页14案例：输油管检测用管道猪(Pigging)CP磁敏传感器第14页15霍尔元件能够用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度赔偿。二、磁敏电阻★磁阻效应——当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场而改变。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作。★磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生一个物理现象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力作用而发生偏转后，其从一个电极到另一个电极所经过路径，要比无磁场作用时所经过路径长些，所以增加了电阻率。★磁阻效应与半导体材料迁移率，几何形状相关。普通迁移率愈高，元件长宽比愈小，磁阻效应愈大。★制造磁敏电阻材料：锑化铟(InSb),砷化铟(InAs)等。CP磁敏传感器第15页16★磁电阻测量试验外接电阻磁阻器R12VNS

处于磁场中磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源分压电路中，经过对R调整能够调整磁阻器件中电流大小，电压表联接1或2能够分别监测外接电阻电压和磁阻器件电压。★实用磁敏电阻在无磁场时初始电阻值R0可达几百欧姆，在磁感应强度B=1.0T时，其阻值RB与R0比值可高达12左右。CP磁敏传感器第16页17★磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，制作工艺难度大，应用受到限制。三、磁敏管1磁敏二极管

（1）磁敏二极管结构

有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区分：普通二极管PN结基区很短，以防止载流子在基区里复合，磁敏二级管PN结却有很长基区，大于载流子扩散长度，但基区是由靠近本征半导体高阻材料组成。普通锗磁敏二级管用ρ=40Ω•cm左右P型或N型单晶做基区(锗本征半导体ρ=50Ω•cm)，在它两端有P型和N型锗，并引出，若γ代表长基区，则其PN坚固际上是由Pγ结和Nγ结共同组成。以2ACM—1A为例，磁敏二级管结构是P+—I—N+型。CP磁敏传感器第17页18+（b）H+H-N+区p+区I区r区电流（a）磁敏二极管(a)结构(b)电路符号

在高纯度锗半导体两端用合金法制成高掺杂P型和N型两个区域，并在本征区（I）区一个侧面上，设置高复合区(利用喷砂打毛，形成粗糙表面，称为r面。因为粗糙表面处轻易使电子—空穴对复合而消失，故r面是高复合区，也称为r区)，而与r区相正确另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就组成了磁敏二极管管芯，其结构如图。CP磁敏传感器第18页19（2）磁敏二极管工作原理

磁敏二极管工作原理PNPNPNH=0H+H-→→→←←←电流电流电流（a）（b）（c）III电子孔穴复合区

当磁敏二极管外加正向偏压，即P区接电源正极，将有大量空穴从P区注入到I区。若将其放入磁场中，则注入空穴和电子都要受到洛仑兹力作用而发生偏转。当磁场方向使空穴，电子向r面偏转时，它们将大量复合，因而电流很小；当磁场方向使空穴，电子向光滑面偏转时，它们复合率变小，电流就大。故可依据某一偏压下电流值来确定磁感应强度大小和磁场方向。

当磁敏二极管反向偏置时，在r区仅流过很微小电流，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。CP磁敏传感器第19页20磁敏二极管优点：1）灵敏度高，约为霍尔元件数百甚至上千倍；2）可识别磁场方向，且线路简单，功耗小。缺点：灵敏度与磁场关系呈线性范围比较窄，且受温度影响大。2磁敏三极管（1）磁敏三极管结构在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。cN+eH-H+bIrN+P+(a)结构bce(b)符号CP磁敏传感器第20页21

当磁敏三极管末受磁场作用时，因为基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子经过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流情况，使β＜l。（1）磁敏三极管工作原理N+N+eP+xIrbycCP磁敏传感器第21页22N+N+eP+xIrbycH+N+N+eP+xIrbycH-

由此可知、磁敏三极管在正