第七章磁电式传感器装置

1、掌握霍尔效应、磁阻效应及磁电感应式传感器、霍尔传感器、磁敏电阻器、磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理。2、熟悉霍尔器件主要参数、电磁特性、类型、测量电路与连接方式。3、了解各种磁电式传感器的结构及应用。

本章要求：第七章：磁电式传感器一、磁电式传感器——根据法拉第电磁感应定律，通过磁电作用将被测非电量转换为电信号的装置。

二、种类：

1、根据制作磁电式传感器的材料分类：有导体、半导体、磁性体和超导体磁电式传感器；

2、利用导体和磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理可制成各种类型磁电式传感器和磁记录装置；

3、利用强磁性体的各向异性磁阻效应，可制成强磁性金属磁敏器件；

4、利用半导体材料的霍尔效应可制成霍尔器件；

5、利用半导体材料的磁阻效应可制成磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管。7.1磁电感应式传感器一、工作原理：根据法拉第电磁感应定律，N匝线圈在磁场中切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量变化时线圈中产生的感应电动势e为：①、进入线圈的磁通φ越大，dφ也越大；②、如果相对速度越快，即v或ω越大，则αt越小，越大；③、与线圈匝数N成正比，N越大，e也越大。根据实现磁通φ变化的方法不同，磁电感应式传感器有恒磁通的动圈式与动铁式，有变磁通（变磁阻）的开磁路式和闭磁路式。磁电感应式传感器的直接应用是用来测线速度或角速度：e=-NBLve=-NBSω式中：B—磁感应强度（T）L—每匝线圈平均长度（m），

S—线圈的截面积（m2）磁电感应式传感器是结构型传感器，只要结构参数N、B、L、S为定值，则感应电动势与速度v和角速度ω成正比。二、磁电感应式传感器的结构与要求：1、结构：磁路系统，线圈；如图7—1所示。2、基本要求：（1）工作气隙工作气隙大，线圈窗口面积就大，线圈匝数就多，传感器的灵敏度就高。但气隙大，磁路系统的磁感应强度就低，传感器灵敏度也越低，而且气隙大易造成气隙磁场分布不均匀，导致传感器输出特性非线性。为了使传感器具有较高的灵敏度和较好的线性度，必须保证足够大的窗口面积所需加工安装精度的前提下，尽量减小工作气隙d。工作气隙宽度也与传感器的灵敏度、线性度有关。越大，灵敏度越高，线性度越好，但传感器体积和重量就较大，因此，一般取。（2）磁路系统：选用永久磁铁，减小传感器体积。永久磁铁有以下几个参数：矫顽磁力Hc，剩余磁感应强度Br，最大磁能积（BH）m，磁化曲线B=f（H），磁能积曲线（BH）=f（B），常用材料为铝镍钴永磁合金，其Hc和Br都较大，稳定性高，使用最广泛；（3）线圈组件：由线圈和骨架组成。骨架由金属材料制成，起到与磁场发生相对运动时产生电磁阻尼作用。但非线性误差增加，可改用非金属（有机玻璃）骨架。有时为减小尺寸，也可不用线圈骨架；（4）为补偿温度误差及线圈感应电流的磁场效应，设计时应使工作线圈的感应电流足够小。7.2、霍尔传感器一、霍尔（Hall）效应：置于磁场中的导体或半导体薄片，当有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场方向上将产生电动势的现象，称为霍尔效应。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感装置。二、工作原理：如图7—2示，将一块N型半导体材料置于磁场B中，当它通过电流l时，半导体中的自由电荷（电子）受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为FL=-q0VB式中V—电子速度，q0—电电荷，B—垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在FL作用下，电子向垂直于B与U方向偏移，即电子向某一方向积聚，结果使半导体一端面产生负电荷集聚，另一端面产生正电荷集聚。由于电荷集聚，便产生静电场，即霍尔电场。此电场产生一个与FL向反的力FH，阻止电子继续偏转，其大小为：达到动平衡时，磁场力与电场力相等，则FL=FH

即或UH=bvB

或UH=bvB又电流密度J=-nq0v式中n—为电子浓度，则流过霍尔元件的电流为：即

则

式中

为霍尔系数，

为

霍尔器件的灵敏系数。若霍尔元件为P型半导体，则

式中P—空穴浓度。二、霍尔器件根据霍尔效应制成的磁电转换元件叫做霍尔元件。1、工作原理：如图7—2所示。将一块长为L、宽为b、厚度为a的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它的相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B之积成正比的霍尔电压UH，且UH为：UH=KHIB式中

由于金属材料的自由电子浓度n很高，其霍尔系数RH很小，产生的电动势很小。所以金属材料不宜作霍尔元件。其正负号由载流子类型决定。电子导电时，RH负值；空穴导电时，RH为正值。r是与温度、能带结构等有关的因数。若运动载流子呈费米尔分布，则r=1，若呈波尔茨分布，则

。RH单位为q0=1.602×10-19，C为电子的电荷量，RH还与载流子迁移率μ和电阻率ρ有关:

半导体材料中的载流子具有很高的迁移率和电阻率，且一般电子迁移率大于空穴迁移率，故多选用N型半导体材料作霍尔器件。2、霍尔器件的主要参数①输入电阻或称输入内阻Ri。指控制电流极端间的电阻，单位为Ω；②输出电阻或称输出内阻R0。指无负载时霍尔电压输出电极端间的电阻，单位为Ω；③额定控制电流。在室温条件下，能使霍尔器件产生100C温升的电流值；④额定功耗。霍尔器件在环境温度时，允许加在其两端的电压与控制电流的乘积；⑤不平衡电压U0

。在额定控制电流之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电压，又称寄生直流电势，单位为⑥不平衡电阻r0

。不平衡电压U0与额定控制电流之比，单位为Ω；⑦霍尔灵敏系数KH。单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，单位为U/（A、T）；⑧磁灵敏系数KB

。额定控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，单位为V/T；⑨霍尔电压稳定系数βH。在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化10C时，霍尔电压变化的百分率；⑩内阻温度系数β。在无磁场及工作温度范围内，霍尔器件的湿度每变化10C时，输入电阻RI和输出电阻R0变化的百分率（），一般取不同温度的平均值。3、霍尔器件的材料选择：常用材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锑化铟霍尔器件：灵敏度最高。但受温度影响较大；锗霍尔器件：灵敏度最低，但其温度特性及线性度较好；砷化镓霍尔器件：霍尔系数RH大，电子迁移率高，禁带宽度大，且温度稳定性好，霍尔电压稳定系数βH可达0.005%/0CN（Si）的工作温度范围较宽，一般为-100------+1700C，N（Ge）易加工制造，综合性能较好。4、霍尔系数RH与电子迁移率μ的关系：

式中：σ—霍尔器件电导率；单位：1/Ω.cmρ—霍尔器件电阻率；单位：Ω.cmμ—电子迁移率，即单位场强电子平均速度；单位：cm/V.sq0—电子电荷量；显然，霍尔系数RH与电子迁移率μ成正比，且与电阻率ρ有关。因为InAs和InSb的ρ值太低，则RH值较小。5、霍尔器件的电磁特性霍尔器件的电磁特性包含UH—IC特性和UH—B特性。（1）、UH—IC特性：在恒定磁场和环境下，霍尔直线的斜率称为控制电流灵敏度。由图（6—2）知：

而UH=KHICB所以

因此，霍尔系数KH大的元件，其控制电流灵敏度KI也大。（2）、UH—B特性：在控制电流IC和环境温度恒定下，霍尔器件开路输出电压与磁场强度B之间关系不完全呈线性关系。由图（6—3）知：当B<0.5Wb/m2时，曲线呈线性关系；当B>0.5Wb/m2时线性度差；其原因是磁场增加，使霍尔输出下降。另外还知：锑化铟的线性度很差，硅的线性度最好，锗次之。6、霍尔器件类型

分立型：（1）、单晶霍尔器件—锗(Ge)、硅（Si）、砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）（2）、簿膜霍尔器件—锑化铟（InSb）簿膜集成型：（1）、线性霍尔集成传感器（2）、开关霍尔集成传感器。7、霍尔器件的连接方式和输出电路

（1）、基本电路：如图7—5所示。控制电流I的大小，由电位器RW调节。输出端接负载电阻RL（放大器或测量仪表内阻）。其输出电压UH，分别正比于IB或I或B（2）、连接方式：有两种：如图7—6所示。①直流供电—控制电流端并联，其输出电压为单片的两倍；②交流供电—控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器T的初级线圈；变压器次级线圈两端便有霍尔电压叠加值输出。8、误差分析及补偿方法

零位误差——霍尔元件在不加控制电流或不加外磁场卓越而出现的霍尔电势称为零位误差。A、不等位电势U0。A、B电极不处在同一等位面上使霍尔电极所产生的电势。采用电桥法进行补偿。B、寄生直流电势。在无磁场下，元件通以交流控制电流，输出端除产生交流不等位电势外，还有一个直流电势分量，这便是寄生直流电势。产生原因：一是控制电流极及电势极的欧姆接触不佳造成整流效应；二是由于霍尔电极的焊点大小不一，其热容量不一致产生温差。C、感应零电势Uio。没有控制电流时，在交流或脉动磁场作用下产生的电势。消除方法有自身补偿法和外加补偿法。D、自激零电势。霍尔元件控制电流产生的磁场称为自激磁场。如果元件左右两半磁场相等，则自激零电势会互相抵消。（2）、温度误差。补偿方法：一是在输出回路并联电阻，二是在输入回路串联电阻。7.3、磁敏电阻器一、磁阻效应—当通有电流的半导体或磁性金属簿片置于与电流垂直的外磁场中，使其电阻值增大的物理现象称为磁阻效应。产生磁阻效应的原因是：由于磁场的作用力使载流子运动路径弯曲，即外加电场的电流分量减小，从而使其电阻值增大。霍尔元件内阻随磁场强度增加而增加的磁阻效应使霍尔电压输出降低。只有一种载流子的半导体的磁阻效应可以忽略；具有两种载流子的半导体的磁阻效应很强，适合作磁阻元件。二、磁敏电阻器—简称MR元件。当温度恒定时，半导体磁敏电阻在弱磁场中的电阻率与磁感应强度B有如下关系：式中：—零磁场下的电阻率，μn—电子迁移率，ρ—半导体中的空穴载流子数量，—空穴迁移率，N—半导体中电子载流子数量，B—磁场强度。当电阻率变化为：时，则电阻率的相对变化为：由此可见，磁场一定，迁移率越高的半导体材料（InSb，InAS）磁阻效应越明显。1、磁敏电阻分类：按材料分类：分为半导体磁敏电阻和金属簿膜型磁敏电阻两大类。半导体磁敏电阻特点：原始信号强，灵敏度高，后序处理电路简单，适用于强永磁体。金属簿膜型磁敏电阻特点：对弱磁场很敏感，温度系数比半导体低一个数量级，成本低，易于实现批量化生产和集成化处理。它是将坡莫合金沉积在衬底上形成薄膜，径光刻制成芯片而成。2、磁敏电阻的结构：如图7—13示。（A）、短路电极（光栅状）；（B）、在结晶过程中有方向性地析出金属；（C）、圆盘结构；（D）、符号。3、磁敏电阻工作原理：没有外磁场时，磁阻元件的电流密度矢量均匀。当外加磁场垂直作用在磁阻元件的表面时，电流密度矢量偏移电场方向θ角，这样就使电流所流通的路径变长，从而使元件两端金属电极间的电阻就增加了。如图7—15所示。4、磁敏电阻的基本特性：①、B—R特性：以为纵标，B为横标的关系曲线；②、灵敏度K。

R3—为B=0.3T时的RB值，一般K≥2.75、磁敏电阻特点：①、阻抗低；②、阻值随磁场变化率大，③、非接触测量；④、频率响应好；⑤、动态范围广；⑥、噪声小（干扰小）。广泛用于无触点开关、旋转偏码器、角度、转速传感器等。7.4、磁敏二极管和磁敏三极管一、磁敏二极管

1、结构

如图7—17示。在高纯度Ge两端用合金法做成高掺杂P型区和N型区。在P—N之间有一个较长的高纯度本征区。其一面磨成光滑的复合表面I区，另一面用扩散、研磨、或扩散杂质等方法制成高复合区r。载流子在粗糙的r区复合速率较大。

2、工作原理：

如图7—18示

在正向电压（P+区接高电位，N+接低电位）作用下，P+区向I注入空穴，N+区向I区注入电子。①、在无磁场作用时，大部分空穴从P+区通过I区进入N+区。同时大部分电子通过I区进入P+区形成电流。只有少量的电子和空穴在I区或r区复合掉。此时I区的电阻值是固定的，器件呈稳定状态。见图7—18（A）。

②、给磁敏二极管外加一个正向磁场（B射向纸内）B+

，空穴和电子在洛仑兹力的作用下，向r区偏转。

由于空穴和电子在r区的复合速率较大，因此复合掉的载流子比没受磁场作用时要多得多，从而使I区的载流子数目减少，电阻增大，电压增加，P+N+结压降减小，导致注入到I区的载流子数减小，（洛仑兹力—运动着的带电质点在磁场中所受的力。）结果使I区的电阻和压降继续增大，产生正反馈，直到平衡为止。见图7—18（B）③、给磁敏二极管加一个反向磁场，（射向纸外）B—，在洛仑兹力作用下，载流子偏离复合区r，使电子空穴复合率明显减小，则磁敏二极管的正向电流增大，电阻值减小。见图7—18（C）。3、主要特性（1）磁电特性U0=f（B）

（2）伏安特性U0=f（I）（3）温度特性U0=f（t）2、工作原理：（A）、无磁场作用时，由于基区长度大于载流子有效扩散长度，从发射区注入到I区的（载流子）电子在横向电场Ube的作用下，其大部分在I区与空穴复合形成基流，输入到C极的载流子少，因此基极电流大于集电极电流。

B=0I区n→Ube→在I区与P复合→C区载流子少。见图7—20（A）

在高阻半导体锗或硅材料I上用合金法或扩散法形成发射极，基极和集电极。基极很长，类似磁敏二极管，也有高复合率的r区和本区I，发射区、集电区设置在其上下表面。如图7—19所示。

1、结构

二、磁敏三极管高阻区又使发射体上电压减小，从而使注入到I区的电子数大大减小，导致集电极电流进一步减小。B=载流子→r偏→C区n更少→Ib↑→IC↓同时b区n经过r→与p复合→I区载流子浓度↓↓→成为高阻区→Ube↓→I区n↓→IC↓↓见图7—20（B）。

（B）、受到正向磁场B+作用时洛仑兹力使载流向复合区r方向偏转。结果使注入集电区的电子比无磁场作用时还要少，故使基极电流增加，集电极电流减小，同时，流入基区的电子经过复合区r时大量地与空穴合，使I区载流子浓度大大减小而成为高阻区。

可见磁敏三极管在正反磁场作用下，会引起集电极电流明显变化。这样就可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减小，用磁场的强度控制集电极电流的变化。3、主要特性（1）磁电特性ΔIr=f（B）（2）伏安特性Ir=f（Uce）磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。（3）温度特性。B=

→载流子向C偏→IC↑见图7—20（C）。

（C）、受到反向磁场B-的作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。

可以用于下述三个方面；（1）当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强度。因此，对能转换为磁感应强度变化的量都能进行测量，例如可以对磁场、位移、角度、转速、加速度等量进行测量。（2）磁场不变时，传感器输出值正比于控制电流值，因此，凡能转换为电流变化的各种量，均能进行测量。（3）传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流的乘积。因此，它可以用于乘法、功率方面的计算与测量。7.5磁电式传感器的应用一、霍尔传感器的应用1、霍尔压力、压差传感器霍尔压力、压差传感器，一般由两部分组成。一部分为弹性元件，用它来感受压力，并把压力转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁系统。通常把霍尔元件固定在弹性元件上，这样当弹性元件产生位移时，将带动霍尔元件在均匀磁场中移动，从而产生霍尔电势，完成将压力（或压差）变换为电量的任务。图7—24为霍尔压力传感器的结构原理图。2、霍尔位移传感器：在磁性相反，磁场强度相同的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I不变时，霍尔电压UH与外加磁场强度成正比。若磁场在一定范围内沿X方向的变梯度为一常数时，

式中：K—为位移传感器的输出灵敏度。对上式积分得：UH=KX说明霍尔电压UH与位移成线性关系，且其输出电压极性反映元件位移方向。磁场梯度越大，灵