3.2 磁敏传感器及其应用

1磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器件或装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。一、磁电感应式二、霍尔式三、磁敏电阻式四、磁敏二极管式五、磁敏三极管式3.2磁敏传感器及其应用

磁电效应式结型4.3.0磁电感应式传感器

法拉第电磁感应定律：N为线圈匝数，E为感应电势，Φ为磁通。当E的单位为伏特（V），Φ的单位为韦伯（Wb），t的单位为秒（s）时EXTENSION4.3.0磁电感应式传感器EXTENSION磁电感应式传感器分为：恒定磁通式磁电感应传感器和变磁通式磁电感应传感器两种。特点：

传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速传感器的下限频率可降低到30Hz左右。其上限工作频率可达100Hz。4.3.2霍尔传感器利用霍尔元件的霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。优点：结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大、寿命长等。

4.3.2霍尔传感器

（一）霍尔效应

导体或半导体薄片置于磁场B中，在相对两侧通以电流I，在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁感应强度B的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab霍尔效应6霍尔电势VH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：

电流密度j=nqvn—N型半导体中的电子浓度P型半导体

—霍尔系数，由材料物理性质决定。p—P型半导体中的空穴浓度ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率金属材料电子μ很高但ρ很小，绝缘材料ρ很高但μ很小。故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。而电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。（二）霍尔磁敏传感器工作原理KH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。7设KH=RH/d

KH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。

若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍尔电势应为：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。θ8控制电流I；霍尔电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。

图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍尔元件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。9（四）基本特性

1、直线性：指霍尔器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI

2、灵敏度：可以用元件灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH——Hall元件灵敏度，表示霍尔电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，mV/(mA·KGs)。因为霍尔元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故又称为乘积灵敏度。H103、最大输出功率在霍尔电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍尔电极间的内阻R2等于霍尔负载电阻R3时，霍尔输出功率为最大。4、最大效率霍尔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：5、负载特性当霍尔电极间串接有负载时，因为流过霍尔电流，在霍尔元件上将产生压降，故实际霍尔电势比理论值小。由于霍尔电极间内阻和磁阻效应的影响，霍尔电势和磁感应强度之间的关系改变。如图所示。H118060402000.20.40.60.81.0VH/mVλ=∞（空载）λ=7.0λ=1.5λ=3.0B/T理论值实际值VHR3I霍尔电势的负载特性λ=R3/R2

霍尔电势随负载电阻值而改变的情况127、温度特性：指霍尔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。它们可归结为霍尔系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。霍尔材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（b）ρ与温度的关系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0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。二者相反。H2026/8/2513（七）霍尔传感器的应用

霍尔电势是关于I、B、

三个变量的函数，即EH=KHIBcos

。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。

霍尔磁敏传感器测磁(大小/方向)原理示意图（b）磁场变化xxBNNSSI（a）霍尔式传感器结构示意图14利用霍尔传感器制作的测量仪器优点：

(1)体积小，结构简单、坚固耐用。

(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。

(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。

(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。

(5)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍尔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，这些缺点正逐步得到克服。

2026/8/25151.测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值2．微位移测量3.霍尔计数装置NS霍尔开关钢球磁铁绝缘板SL3051741计数器+12V+V4.铁磁材料裂纹检测1-永久磁铁2-霍尔元件3-铁磁材料SN123SNxUH02026/8/2519霍尔转速表原理

当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。5.转速测量霍尔式接近开关用于转速测量演示n=60f4(r/min)软铁分流翼片

开关型霍尔ICTn=60f4(r/min)216、霍尔式无刷电动机

霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、CD唱机、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的电刷和换向器22无刷电动机在电动自行车上的应用

电动自行车可充电电池组无刷电动机2026/8/2523光驱用的无刷电动机内部结构2026/8/25247.霍尔式接近开关

当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。2026/8/2525

用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。

在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。

7.霍尔式接近开关268.霍尔电流传感器

将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC

EH=KHIB

II铁心9.霍尔式压力传感器283.2.3

磁敏电阻式

是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应，常用RM或R表示。磁阻效应：当载流体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中磁阻与磁感应强度B的平方成正比。若器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为（一）磁阻效应3.2.3磁敏电阻圆盘形的磁阻最大。磁敏电阻大多做成圆盘结构。迁移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。磁阻效应除与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。301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电阻变化率来表示，即磁场——电阻特性的斜率。常用K表示，在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。

（二）

磁阻元件的主要特性图4.3.8磁阻元件磁场——电阻特性图4.3.9强磁磁阻元件电阻——磁场特性曲线2）电阻——温度特性磁敏电阻的电阻—温度特性曲线如图4.3.10所示。图4.3.10半导体元件电阻——温度特性曲线图4.3.11强磁阻元件电阻——温度特性曲线32☆磁敏电阻主要结构半导体磁敏电阻InSb-NiSb磁敏电阻(锑化铟-锑化镍)强磁性薄膜(InSb)磁敏电阻

在很薄(0.1~0.5mm)的绝缘基片上,蒸渡一层半导体材料；也有在半导体材料上腐蚀光刻成型.(为增加有效电阻,常制成象应变片那样的栅格形)优点：灵敏度很高,在高磁场范围特性为线性.但对磁场方向无关.缺点：受温度影响很大,影响使用价值,正在被强磁性薄膜型取代.半导体磁敏电阻特性半导体磁敏电阻

在B=0.3T~1.0T内线性较好,适于测量强磁场,弱磁场平方特性.利用该元件可制成位移和压力等各种类型的接近开关.InSb-NiSb磁敏电阻特性

具有灵敏度高,稳定性、可靠性好,输出阻值变化与磁场方向有关.强磁性薄膜磁敏电阻特性

磁敏电阻一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测，它可用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器、等电路中作控制元件，还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等场合作磁敏传感器用。磁敏电阻应用333.2.3&4磁敏二极管和磁敏三极管

磁敏二极管、三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。特点:

磁灵敏度高（磁灵敏度比霍尔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。结型磁敏传感器

基于半导体PN结导电特性

结半导体(PN结)导电时,载流子(电子、空穴)运动其复合情况随所处磁场方向及强度而变化的原理.34（一）磁敏二极管(SMD)的结构与工作原理

（1）磁敏二极管的结构：有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。磁敏二级管的结构是P+—i—N+型。结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生输出电流（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r区和r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。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而流过二极管的电流（端电压）不会因受到磁场作用而有任何改变。+－图4.3.12磁敏二极管的结构及符号磁敏二极管的主要特性图4.3.12Ge磁敏二极管的伏安特性曲线图4.3.13硅磁敏二极管的伏安特性(a)普通硅磁敏二极管(b)负阻特性的硅磁敏二极管伏安特性--正向偏压与电流的关系。磁敏二极管的主要特性温度特性：一般情况下，磁敏二极管输出电压变化量ΔU随温度T变化较大，因此在实际使用时，需要对其进行温度补偿。图4.3.15温度补偿电路磁敏二极管温度特性曲线37（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性

1．磁敏三极管的结构与原理

（1）磁敏三极管的结构

NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结——即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。如图。最大的特点是基区很长，基区结构类似于磁敏二极管。图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i（1）伏安特性:磁敏三极管与普通晶体管的伏安特性曲线类似，电流放

大倍数小于1。（2）磁电特性:较弱磁场时，集电极电流Ic与B是线性关系。（3）温度特性:磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。（4）频率特性:3BCM锗磁敏三极管的响应时间为2us，截止频率为500KHz；

3CCM硅磁敏三极管的响应时间为4us，截止频率为2.5MHz。（5）磁灵敏度:磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种。

其定义式为：2.磁敏三极管特性

灵敏度高：比霍尔元件高几百至上千倍,更适合弱磁场测量,且线路简单,成本低.

具有正反磁灵敏度：

磁敏电阻只与B2或B有关,不能辨别磁场方向.

线性范围窄：

不如霍尔元件.

元件只能正偏使用：

加反偏,电流极小,且与磁场无关.主要技术特性(与其它磁敏元件比较)39（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用

由于磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器—如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。4.3.6其他磁敏传感器

美国科学家J.Wiegand在1965年发明的一种新型磁敏器件之后,研制出的一种新型磁敏传感器.在韦甘德器件(金属丝)外面绕上线圈构成.

外磁场使器件状态翻转时,由于磁通量的急剧变化,线圈中就会有(正、负)脉冲信号输出.韦甘德磁敏传感器800nj(17mw)8.0V