新编-25808-07-磁敏式传感器-2-77-精品课件.ppt

1、第7章 磁电式传感器 17.2 7.2 霍尔传感器的工作原理与特性霍尔传感器的工作原理与特性7.2.1 7.2.1 霍尔效应霍尔效应 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。利用霍尔。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。所产生的电动势称为霍尔电势。效应制成的元件称为霍尔传感器。所产生的电动势称为霍尔电势。如图，在长、宽、高分别为如图，在长、宽、高分别为L L、W W、H H的半导体

2、薄片的相对两侧的半导体薄片的相对两侧a a、b b通以控通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场制电流，在薄片垂直方向加以磁场B B。设图中的材料是。设图中的材料是N N型半导体，导电的载流型半导体，导电的载流子是子是电子电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c c侧指向侧指向d d侧方向力的侧方向力的作用，这个力就是作用，这个力就是洛仑兹力洛仑兹力。洛仑兹力用表示，大小为：。洛仑兹力用表示，大小为：LFq Bv电子电荷量电子电荷量载流子的载流子的运动速度运动速度磁感应磁感应强度强度第7章 磁电式传感器 2当当载流导体或半导体载流导体或半导体处于与

3、电流相垂直的处于与电流相垂直的磁磁场场中时，在其两端将产生电位差，这一现象中时，在其两端将产生电位差，这一现象被称为被称为霍尔效应霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛洛伦兹力伦兹力作用的结果。作用的结果。第7章 磁电式传感器 3在洛仑兹力的作用下，电子向在洛仑兹力的作用下，电子向d d侧偏转，使该侧形成侧偏转，使该侧形成负电荷的积累负电荷的积累，c c侧则形成侧则形成正电荷的积累正电荷的积累。这样，。这样，c c、d d两端面因电荷积累而建立了一个电场两端面因电荷积累而建立了一

4、个电场 ,称为称为霍霍尔电场尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力（累。当电场力（）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件HEHHFqEHqEq B所以霍尔电场的强度为所以霍尔电场的强度为HEB（7-2）在在c c与与d d两侧面间建立的电动两侧面间建立的电动势差称为霍尔电势，用表示势差称为霍尔电势，用表示HUHHHUE WUBW或当材料中的电子浓度为当材料中的电子浓度为n时时（7-3）/()InqHW1H

5、IUBWBWIBnqHWnqH第7章 磁电式传感器 4设设 -霍尔系数，得霍尔系数，得 设设 -霍尔灵敏度，则霍尔灵敏度，则1HIUBWBWIBnqHWnqH1HRnq（7-5）HHRKHHHHRUIBK IBH反映材料霍尔效反映材料霍尔效应的强弱，是由应的强弱，是由材料性质所决定材料性质所决定的一个常数大小的一个常数大小 霍尔灵敏度，它表霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在单位示霍尔元件在单位控制电流和单位磁控制电流和单位磁感应强度时产生的感应强度时产生的霍尔电势的大小霍尔电势的大小 HHRUIBH（7-7）霍尔片霍尔片的厚度的厚度第7章 磁电式传感器 5霍耳电势与材料的关系霍耳电势与材料的关系通过

6、以上分析，可以看出通过以上分析，可以看出 霍耳电压霍耳电压U UH H大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n n较大，导致较大，导致R RH H和和K KH H变小，变小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N N型半导体型半导体材料。材料。R RH H=1/nq=1/nq 霍耳电压霍耳电压U UH H与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：1 1）根据式）根据式 ，H H愈小，愈小，K KH H愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚愈大，霍耳灵敏度愈高，所以

7、霍耳元件的厚度都比较薄。但度都比较薄。但H H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。2 2）元件的长宽比对元件的长宽比对U UH H也有影响。也有影响。L/WL/W加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但如加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但如果果L/WL/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使U UH H下降，通常要对式（下降，通常要对式（7-77-7）加以形状效应修正：加以形状效应修正：(7-7(7-7）式（式（7-77-7）中，）中，为形状效应系数，其修正值如下表所示。为形状

8、效应系数，其修正值如下表所示。通常取通常取HHHRUIBK IBH/2L W)/(WLfL/W0.50.51.01.01.51.52.02.02.52.53.03.04.04.0f(L/W)0.3700.3700.7750.7750.8410.8410.9230.9230.9770.9770.9840.9840.9970.997(/)HHUK IBf L W第7章 磁电式传感器 6霍耳电势与材料的关系霍耳电势与材料的关系3 3）霍耳电压霍耳电压U UH H与控制电流及磁场强度有关。根据式与控制电流及磁场强度有关。根据式 U UH H正比于正比于I I及及B B。当控制电流恒定时，。当控制电流恒

9、定时，B B愈大，愈大，U UH H愈大。当磁愈大。当磁场改变方向时，场改变方向时，U UH H也改变方向。同样，当霍耳灵敏度也改变方向。同样，当霍耳灵敏度K KH H及磁及磁感应强度感应强度B B恒定时，增加控制恒定时，增加控制I,I,也可以提高霍耳电压的输出。也可以提高霍耳电压的输出。但但电流不宜过大电流不宜过大，否则，否则，会烧坏霍耳元件会烧坏霍耳元件。HHHRUIBK IBH第7章 磁电式传感器 77.2.2 7.2.2 霍尔元件的结构和主要参数霍尔元件的结构和主要参数霍尔元件是一种霍尔元件是一种四端型器件四端型器件，如图，如图7-27-2所示，它由霍尔片、所示，它由霍尔片、4 4根引

10、线和根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mm4mm 2mm2mm 0.1 mm 0.1 mm。通常为红色的两个引线。通常为红色的两个引线A A、B B 为控制电流，为控制电流，C C、D D 两个两个绿色引线为霍尔电势输出线。绿色引线为霍尔电势输出线。图图7-2 7-2 霍尔元件霍尔元件第7章 磁电式传感器 8霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，四个引线。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，四个引线。控制（激励）电极：两根加激励电压或电流，控制（

11、激励）电极：两根加激励电压或电流，霍尔电极：两根霍尔输出引线。霍尔电极：两根霍尔输出引线。封装：壳体导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装：壳体导磁金属、陶瓷或环氧树脂电路符号电路符号第7章 磁电式传感器 9 霍耳元件符号及代号霍耳元件符号及代号国产器件常用国产器件常用HH代表霍耳元件，后面的字母代表代表霍耳元件，后面的字母代表元件的元件的材料材料，数字代表产品的序号。如，数字代表产品的序号。如HZ-1HZ-1元元件，说明是用件，说明是用锗材料锗材料制成的霍耳元件；制成的霍耳元件；HT-1HT-1元件，说明是用元件，说明是用锑化铟锑化铟（InSb）材料制成材料制成的元件。的元件。第7章 磁电式传感器 1

12、0霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 线性特性与开关特性线性特性与开关特性负载特性负载特性 温度特性温度特性 第7章 磁电式传感器 11主要特征参数主要特征参数（1 1）额定控制电流）额定控制电流I I ：使霍尔片温升：使霍尔片温升1010所施加的控制电流值。所施加的控制电流值。（2 2）输入电阻）输入电阻R Ri i：指控制电极间的电阻值。：指控制电极间的电阻值。（3 3）输出电阻）输出电阻R Ro o：指霍尔电势输出极之间的电阻值。：指霍尔电势输出极之间的电阻值。相当于一个相当于一个电压源，其电源内阻电压源，其电源内阻（4 4）最大磁感应强度）最大磁感应强度B BM M：磁感应强度超过：磁感

13、应强度超过B BM M时，霍尔电势的非线时，霍尔电势的非线性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。第7章 磁电式传感器 12关于电流的说明关于电流的说明额定激励电流：当霍尔元件自身温升额定激励电流：当霍尔元件自身温升1010时时所流过的激励电流。所流过的激励电流。最大允许激励电流：以元件允许最大温升为最大允许激励电流：以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流。限制所对应的激励电流。激励电流增加霍尔电势线性增加，激励电流增加霍尔电势线性增加，所以，所以，使用中希望选用尽可能大的激励电流，使用中希望选用尽可能大的激励电流，需要需要知道元件的最大允许激励电

14、流，改善霍尔元知道元件的最大允许激励电流，改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。件的散热条件，可以使激励电流增加。第7章 磁电式传感器 13（5 5）不等位电势不等位电势：在额定控制电流下，：在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势。它间的开路电压称为不等位电势。它是由于四个电极的几何尺寸不对称是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，如图引起的，如图7-37-3所示。使用时多所示。使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。的误差。图图7-3 7-3 霍尔元件的不等位电势霍尔元件的不等位电势第7

15、章 磁电式传感器 14（7 7）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数：在磁感应强度及控制电流一定情：在磁感应强度及控制电流一定情况下，温度变化况下，温度变化l l 相应霍尔电势变化的百分数。它与霍相应霍尔电势变化的百分数。它与霍尔元件的材料有关，一般为尔元件的材料有关，一般为0.10.1/左右。在要求较高场左右。在要求较高场合，应选择低温漂的霍尔元件。合，应选择低温漂的霍尔元件。它同时也是霍尔系数的温度系数它同时也是霍尔系数的温度系数第7章 磁电式传感器 15（8 8）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在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势时

16、，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。外，还有一直流电势，称寄生直流电势。是影响霍尔片温漂的原因之一是影响霍尔片温漂的原因之一 。第7章 磁电式传感器 16寄生直流电动势的补偿寄生直流电动势的补偿元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，并做到均匀散热。并做到均匀散热。欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。电阻值远小于半导体本身的电阻。第7章 磁电式传感器 17霍尔元件温度补偿霍尔元件温度补偿霍尔元件的许多参数都具有较大的温度系数。霍尔元件的许多参数都

17、具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔电势会发生变化。当温度变化时，霍尔电势会发生变化。霍尔元件产生温度误差。霍尔元件产生温度误差。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化，变化，第7章 磁电式传感器 18霍尔元件的温度误差及其补偿霍尔元件的温度误差及其补偿0(1)HHKKT0000IPPHRRIRI)1(0TRRII)1(0TRRPP000(1)(1)(1)PHIPPIPR IIRRRT IRTRT HHHHIKIK0000)(IPRR第7章 磁电式传感器 19当霍尔元件选定后，它的输入电阻当霍尔元件选定后，它的输入电阻

18、R Ri0i0和温度系数和温度系数及霍尔电势温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。是确定值。由下式可计算出分流电阻由下式可计算出分流电阻R Rp0p0及所需的温度系数及所需的温度系数值。值。为了满足为了满足R R0 0及及两个条件，分流电阻可取温度系数两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合不同的两种电阻的串、并联组合。00)(IPRR第7章 磁电式传感器 20常用国产霍尔元件的技术参数常用国产霍尔元件的技术参数第7章 磁电式传感器 217.2.2 7.2.2 测量电路测量电路第7章 磁电式传感器 227.2.3 7.2.3 集成霍尔传感器集成霍尔传感器将霍尔敏感元件、放大器、

19、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成传感器。有些霍尔传感器的外形与传感器。有些霍尔传感器的外形与DIP DIP 封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。类型：分为类型：分为线性型霍尔传感器线性型霍尔传感器和和开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器。1 1、霍尔线性集成传感器、霍尔线性集成传感器这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、力、重量、厚度、速度

20、、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双端输力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路，如图出（差动输出）两种电路，如图7-4 7-4 所示。所示。图图7-4 7-4 线形霍尔集成传感器结构线形霍尔集成传感器结构第7章 磁电式传感器 232.2.开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和开关输出放大器、施密特整形电路和开关输出等部分组成，其内部结构框图如图等部分组成，其内部结构框图如图7-7-5 5所示。当有磁场作用在霍尔开关集所示。当有磁场

21、作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电势，该电压经放霍尔元件输出霍尔电势，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电势大于当放大后的霍尔电势大于“开启开启”阈值时，施密特阈值时，施密特电路翻转电路翻转，输出，输出高电高电平平，使晶体管，使晶体管导通导通，整个电路处于开，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值仍的电压很小，经放大器放大后其值仍小于施密特的小于施密特的“关闭关闭”阈值时阈值时，施密，施密特整形器又翻转，输出

22、特整形器又翻转，输出低电平低电平，使，使晶晶体管截止体管截止，电路处于，电路处于关状态关状态。这样，。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。成一次开关动作。图图7-5 7-5 霍尔开关集成传感器内霍尔开关集成传感器内部结构框图部结构框图第7章 磁电式传感器 24第7章 磁电式传感器 257.37.3 磁敏传感器磁敏传感器7.3.1 7.3.1 磁敏电阻磁敏电阻1.1.磁阻效应磁阻效应磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。将一载流导体置于外磁场中，除磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其了产生

23、霍尔效应外，其电阻也会随磁场变化电阻也会随磁场变化，这种现象称为，这种现象称为磁阻效应磁阻效应。在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图7-8a7-8a所示。当磁场垂直作用所示。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角角 ，如图，如图7-8b7-8b所示。这使电流流通的所示。这使电流流通的途径变长途径变长，导致元件两端金属电极间的，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。电极间的距离越长，电阻的增长比例就越大，所以在磁阻元件的结电阻

24、值增大。电极间的距离越长，电阻的增长比例就越大，所以在磁阻元件的结构中，大多数是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金属电极和金属边界。构中，大多数是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金属电极和金属边界。图图7-8 7-8 磁阻元件工作原理示意图磁阻元件工作原理示意图第7章 磁电式传感器 26磁阻效应的表达式磁阻效应的表达式当温度恒定，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度的平方成正比。当温度恒定，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单情况，理论推出磁阻效应的表达对于只有电子参与导电的最简单情况，理论推出磁阻效应的表达式为式为)273.01(220BB磁感应磁感

25、应强度强度电子迁电子迁移率移率磁感应强磁感应强度为度为B时的时的电阻率电阻率（7-8）设电阻率的变化为设电阻率的变化为0B则电阻率的相对变化为则电阻率的相对变化为 2220/0.273()BkB（7-9）由上式可知，磁场一定，由上式可知，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显迁移率高的材料磁阻效应明显。InSbInSb（锑化铟）和和InAsInAs（砷化铟）砷化铟）等半导体的载流子迁移率都很高，更适合等半导体的载流子迁移率都很高，更适合于制作磁敏电阻于制作磁敏电阻。第7章 磁电式传感器 27磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状磁阻效应除与材料有关外，还与磁阻器件的几何形状及尺寸密切相关磁阻效应除与材料有

26、关外，还与磁阻器件的几何形状及尺寸密切相关在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长与宽的比越小，电阻率的相对变化越在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长与宽的比越小，电阻率的相对变化越大。考虑到形状影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系大。考虑到形状影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可用下式近似表示可用下式近似表示 式中式中 形状效应系数，形状效应系数，L L,b b分别为磁阻器件的长度和宽度。分别为磁阻器件的长度和宽度。除长方形磁阻器件外，还有圆盘形磁阻器件，其中心和边缘各有一个电极，除长方形磁阻器件外，还有圆盘形磁阻器件，其中心和边缘各有一个电极，如图如图7-9 7-9 所示

27、。这种圆盘形磁阻器件称为所示。这种圆盘形磁阻器件称为科尔比诺圆盘科尔比诺圆盘。这时的效应称。这时的效应称科科尔比诺效应尔比诺效应。因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。)/(1)(/20blfBk)/(blf图图7-9 7-9 磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状第7章 磁电式传感器 28磁阻元件磁阻元件第7章 磁电式传感器 293.3.磁敏电阻的基本特性磁敏电阻的基本特性(1)B-R(1)B-R特性。它由特性。它由无磁场时的电阻无磁场时的电阻和磁感应强度和磁感应强度B B时的电阻时的电阻来表示。来表示。随元件形状不同而异，约为数随元件形状不同

28、而异，约为数十欧至数千欧，随磁感应强度十欧至数千欧，随磁感应强度变化而变化。图变化而变化。图7-107-10为磁敏电为磁敏电阻的特性曲线。在阻的特性曲线。在0.1T0.1T以下的以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过而超过0.1T0.1T后呈现线性变化。后呈现线性变化。图图7-10 7-10 磁敏电阻的磁敏电阻的B-RB-R特性特性第7章 磁电式传感器 30（2 2）灵敏度）灵敏度K K 磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：（7-117-11）式中式中 磁感应强度为磁感应强度为0.3T0.3T时的值；时的值；无磁场时的电阻值。无磁场时的电阻

29、值。一般情况下，磁敏电阻的灵敏度一般情况下，磁敏电阻的灵敏度K2.7K2.7。（3 3）温度系数）温度系数 磁敏电阻的温度系数约为磁敏电阻的温度系数约为-2-2/，这个值较大。，这个值较大。为补偿磁敏电阻的温度特性，可采用两个元件串联成对使用，为补偿磁敏电阻的温度特性，可采用两个元件串联成对使用，用差动方式工作。用差动方式工作。30KRR3R0R第7章 磁电式传感器 317.3.2 7.3.2 磁敏二极管磁敏二极管 磁敏二极管是一种磁敏二极管是一种磁电转换磁电转换的元件，可以将的元件，可以将 磁信息转换成电信号磁信息转换成电信号.特点：具有体积小、灵敏度高、响应快、无特点：具有体积小、灵敏度高

30、、响应快、无 触点、输出功率大及性能稳定等特点。触点、输出功率大及性能稳定等特点。应用：它可广泛应用于磁场的检测、磁力探应用：它可广泛应用于磁场的检测、磁力探 伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触 点开关和无刷直电流电机等许多领域。点开关和无刷直电流电机等许多领域。第7章 磁电式传感器 321.1.磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构磁敏二极管是磁敏二极管是PNPN 结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，结构如图极管两种，结构如图7-117-11所示。在高纯度锗半导体的两端用合金法所示。在高纯度锗半

31、导体的两端用合金法制成高掺杂的制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区域，在型两个区域，在P P、N N 之间有一个较长的之间有一个较长的本征区本征区I I ，本征区，本征区I I 的一面磨成光滑的复合表面（为的一面磨成光滑的复合表面（为I I 区），另一面打毛，区），另一面打毛，成为成为高复合区高复合区（r r 区），因为电子区），因为电子-空穴对易于在空穴对易于在粗糙表面复合而消粗糙表面复合而消失失。当通以正向电流后就会在。当通以正向电流后就会在P P、I I、N N 结之间形成电流。由此可知，结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是磁敏二极管是PIN PIN 型型的。的。与普通二极管区别：

32、普通二极管与普通二极管区别：普通二极管PNPN结的基区结的基区很短很短，以避免载流子在基区复合，磁敏二极，以避免载流子在基区复合，磁敏二极管的管的PNPN结却有结却有很长的基区很长的基区，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，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。料构成。磁敏二极管磁敏二极管结构示意图结构示意图第7章 磁电式传感器 332.2.工作原理工作原理磁敏二极管在磁敏二极管在磁场强度磁场强度的变化下，其的变化下，其电流电流发生变化，发生变化，于是就实现于是就实现磁电转换磁电转换。且。且I I区和区和r r区的复合能力之差越区的复合能力之差越大，

33、磁敏二极管的灵敏度就越高。大，磁敏二极管的灵敏度就越高。图图7-12 7-12 磁敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图第7章 磁电式传感器 343.3.磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性（1 1）磁电特性磁电特性：在给定条件下，磁敏二极管的：在给定条件下，磁敏二极管的输输出电压出电压变化量与变化量与外加磁场外加磁场间的变化关系。图间的变化关系。图7-7-1313给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。电特性曲线。图图7-13 7-13 磁敏二极管磁电特性曲线磁敏二极管磁电特性曲线正向磁灵正向磁灵敏度大于敏度大于反向反向互补使用时，

34、正、互补使用时，正、反向磁灵敏度曲反向磁灵敏度曲线对称，且在弱线对称，且在弱磁场下有较好的磁场下有较好的线性线性第7章 磁电式传感器 35（2 2）伏安特性）伏安特性在给定磁场情况下，磁在给定磁场情况下，磁敏二极管两端敏二极管两端正向偏压正向偏压和和通过它的电流通过它的电流的关系的关系曲线。如图曲线。如图7-147-14所示。所示。不同种类的磁敏二极管不同种类的磁敏二极管伏安特性也不同。伏安特性也不同。图图7-14 7-14 磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线第7章 磁电式传感器 36（3 3）温度特性）温度特性一般情况下，磁敏二极管受温度的影响一般情况下，磁敏二极管受温度的影响较大

35、。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。硅磁敏二极管也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下在标准测试条件下 的温度系数小于的温度系数小于20mV20mV，的温度系数小于的温度系数小于0.7%/0.7%/。而锗磁敏二极管。而锗磁敏二极管 的温度的温度系数小于系数小于-70mV-70mV，的温度系数小的温度系数小于于1.5%/1.5%/。所以，规定硅管的使用温。所以，规定硅管的使用温度为度为-40-408585，而锗管则现定为，而锗管则现定为-40407575。指在标准测试条件下，指在标准测试条件下，输出电压变化量输出电压变化量（或无磁

36、场作用时输出电压）随（或无磁场作用时输出电压）随温度变化温度变化的规律，如图的规律，如图7-157-15所示。所示。图图7-15 7-15 磁敏二极管温度特性磁敏二极管温度特性0uu0uu第7章 磁电式传感器 37（4 4）频率特性）频率特性硅磁敏二极管的响应时间，几乎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动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于响应时间小于 ，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

37、。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz,10kHz,如图如图7-177-17所示。所示。1 S图图7-17 7-17 锗磁敏二极管频率特性锗磁敏二极管频率特性第7章 磁电式传感器 38在实际使用在实际使用必须对其进行温度补偿。必须对其进行温度补偿。常用的温度补偿电路常用的温度补偿电路互补式互补式差分式差分式全桥式全桥式热敏电阻热敏电阻第7章 磁电式传感器 39（1 1）互补式温度补偿电路）互补式温度补偿电路第7章 磁电式传感器 40差分式、全桥、热敏电阻补偿电路差分式、全桥、热敏电阻补偿电路第7章 磁电式传感器 417.3.3 7.3.3 磁敏晶体管磁敏晶体管1.1.磁敏晶体管的结构工作原理磁

38、敏晶体管的结构工作原理磁敏晶体管的结构和符号如图磁敏晶体管的结构和符号如图7-177-17所示。所示。NPNNPN型磁敏晶体管是在弱型磁敏晶体管是在弱P P型近本征半导体上，型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结用合金法或扩散法形成三个结即即发射结、基极结、集电结发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。其所形成的半导体元件。其最大特点是最大特点是基区较长基区较长，在长基区的侧面制成一个复合率很高的，在长基区的侧面制成一个复合率很高的高复合区高复合区 。在。在 区区的对面保持光滑的无复合的镜面，长基区分为输运基区和复合基区两部分。的对面保持光滑的无复合的镜面，长基区分为输运基区和复合基区

39、两部分。图图7-17 7-17 磁敏晶体管结构与符号磁敏晶体管结构与符号rr第7章 磁电式传感器 42 2.2.工作原理工作原理磁敏晶体管的基区宽度磁敏晶体管的基区宽度大于载流子有效扩散长大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极除少部分输入到集电极外，大部分通过外，大部分通过e-I-b 而而形成基极电流形成基极电流当受到正向磁场作用当受到正向磁场作用时，由于洛仑兹力作时，由于洛仑兹力作用，载流子向用，载流子向发射结发射结一侧偏转一侧偏转，从而使，从而使集集电极电流明显下降电极电流明显下降当受反向磁场作用时，当受反向磁场作用时，载流子在洛仑兹力作载流子在洛

40、仑兹力作用下，向用下，向集电结一侧集电结一侧偏转偏转，使，使集电极电流集电极电流增大增大由此可以看出，磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或由此可以看出，磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或反向磁场作用下，会引起反向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加集电极电流的减少或增加。因此，可以用磁场。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的增方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的增加或减少的变化量。加或减少的变化量。图图7-18 7-18 磁敏晶体管工作原理示意图磁敏晶体管工作原理示意图第7章 磁电式传感器 433.3

41、.磁敏晶体管的主要特性磁敏晶体管的主要特性（1 1）磁电特性磁电特性:磁电特性是磁磁电特性是磁敏晶体管最重要的工作特性之敏晶体管最重要的工作特性之一。例如，国产一。例如，国产NPNNPN型型3BCM3BCM锗锗磁敏晶体管的磁电特性曲线如磁敏晶体管的磁电特性曲线如图图7-197-19所示。在弱磁场作用下，所示。在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。曲线接近一条直线。图图7-19 3BCM7-19 3BCM的磁电特性的磁电特性第7章 磁电式传感器 44（2 2）伏安特性）伏安特性磁敏晶体管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图磁敏晶体管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图7-20a7-20a

42、为不受磁场作为不受磁场作用时磁敏晶体管的伏安特性曲线用时磁敏晶体管的伏安特性曲线图图7-20b7-20b给出了磁敏晶体管在基极恒流条件下（给出了磁敏晶体管在基极恒流条件下（）集电极电流的变化）集电极电流的变化 的特性曲线。的特性曲线。mAIB3图图7-20 7-20 磁敏晶体管伏安特性曲线磁敏晶体管伏安特性曲线第7章 磁电式传感器 45（3 3）温度特性）温度特性磁敏晶体管对温度也是敏感的。磁敏晶体管对温度也是敏感的。3ACM3ACM、3BCM3BCM磁敏晶体管的温度系数为磁敏晶体管的温度系数为0.80.8/；3CCM3CCM磁敏晶体管的温度系磁敏晶体管的温度系数为数为-0.7-0.7/。3B

43、CM3BCM的温度特性曲线如图的温度特性曲线如图7-217-21所示。所示。图图7-21 3BCM7-21 3BCM磁敏晶体管的温度特性磁敏晶体管的温度特性第7章 磁电式传感器 467.4 7.4 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用7.4.1 7.4.1 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用特点：霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频特点：霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频带宽。带宽。应用：用于测量磁感应强度、电功率、电能、大电流、微气隙中的磁场；应用：用于测量磁感应强度、电功率、电能、大电流、微气隙中的磁场；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机；用以制成

44、磁读头、磁罗盘、无刷电机；用于无触点发信，做接近开关、霍尔电键；用于制成乘、除、平方、开方用于无触点发信，做接近开关、霍尔电键；用于制成乘、除、平方、开方等计算元件；等计算元件；用于制作微波电路中的环行器、隔离器等等。至于再经过二次转换或多次用于制作微波电路中的环行器、隔离器等等。至于再经过二次转换或多次转换、用于非磁量的检测和控制，霍尔元件的应用领域就更广泛了，如测转换、用于非磁量的检测和控制，霍尔元件的应用领域就更广泛了，如测量微位移、转速、加速度、振动、压力、流量、液位等等。量微位移、转速、加速度、振动、压力、流量、液位等等。第7章 磁电式传感器 47把探头放在待测磁场中，探头的磁把探头

45、放在待测磁场中，探头的磁敏感面要与磁场方向垂直。控制电敏感面要与磁场方向垂直。控制电流由恒流源（或恒压源）供给，用流由恒流源（或恒压源）供给，用电表或电位差计来测量霍尔电动势。电表或电位差计来测量霍尔电动势。根据根据 ，若控制电流，若控制电流不变，则霍尔输出电动势正比于磁不变，则霍尔输出电动势正比于磁场场.HHUK IB1.1.磁场测量磁场测量（微磁场测量）（微磁场测量）第7章 磁电式传感器 48第7章 磁电式传感器 492.2.电流测量（电流计）电流测量（电流计）由霍尔元件构成的电流传感器具有测量为由霍尔元件构成的电流传感器具有测量为非接触式、测量精度高、不必切断电路电非接触式、测量精度高、

46、不必切断电路电流、测量的频率范围广（从零到几千赫流、测量的频率范围广（从零到几千赫兹）、本身几乎不消耗电路功率等特点。兹）、本身几乎不消耗电路功率等特点。根据根据安培定律安培定律，在载流导体周围将产生一，在载流导体周围将产生一正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量这一磁场，可得到一正比于该磁场的这一磁场，可得到一正比于该磁场的霍尔霍尔电动势电动势。通过测量霍尔电动势的大小来间。通过测量霍尔电动势的大小来间接测量电流的大小，这就是霍尔钳形电流接测量电流的大小，这就是霍尔钳形电流表的基本测量原理。如图表的基本测量原理。如图7-227-22。图图7-22 7-22

47、霍尔元件测量电流霍尔元件测量电流第7章 磁电式传感器 50第7章 磁电式传感器 51第7章 磁电式传感器 52第7章 磁电式传感器 533.3.霍尔转速表霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性形霍尔器件及磁路齿轮，将线性形霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的路的磁阻磁阻随随气隙气隙的改变而周期性的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后就冲信号经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。如图可以确定被测物的转

48、速。如图7-7-2323所示。转速计算公式为：所示。转速计算公式为：图图7-23 7-23 霍尔转速表霍尔转速表zfn60齿盘齿盘的齿的齿数数输出输出脉冲脉冲数数转速转速（转（转/分）分）第7章 磁电式传感器 54第7章 磁电式传感器 55第7章 磁电式传感器 56第7章 磁电式传感器 57微位移传感器微位移传感器结构简单、体积小、动态特性好和寿命结构简单、体积小、动态特性好和寿命长，用于磁感应强度、有功功率及电能长，用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，也应用在位移测量。参数的测量，也应用在位移测量。第7章 磁电式传感器 584.4.角位移测量仪角位移测量仪当当 不同时，霍尔电势不同时，

49、霍尔电势 也不也不同。霍尔角位移测量仪结构如图同。霍尔角位移测量仪结构如图7-247-24所示。霍尔器件与被测物连所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势就反磁场中转动，于是霍尔电势就反映了转角映了转角 的变化。不过，这个的变化。不过，这个变化是非线性的（变化是非线性的（正比正比于于 )，若要求，若要求 与与 成线成线性关系，必须采用特定形状的磁性关系，必须采用特定形状的磁极。极。当霍尔元件与磁场方向不垂直，而是与其法线成某一角度时，这时霍当霍尔元件与磁场方向不垂直，而是与其法线成某一角度时，这时霍尔电势尔电势（7-137-13）

50、cosHHUK IBHU图图7-24 7-24 角位移测量仪角位移测量仪HUcosHU第7章 磁电式传感器 59将霍耳元件置于永久磁铁的磁场中。其霍耳元件的输出与成正比，即 sinIBKUHH霍耳传感器用于角度检测霍耳传感器用于角度检测第7章 磁电式传感器 605.5.接近开关接近开关当霍尔元件通以恒定的控制电流，且有当霍尔元件通以恒定的控制电流，且有磁体近距离接近霍尔磁体近距离接近霍尔元件然后再离开元件然后再离开时，元件的霍尔输出将发生显著变化，输出时，元件的霍尔输出将发生显著变化，输出一个一个脉冲霍尔电势脉冲霍尔电势。利用这种特性可进行。利用这种特性可进行无触点发信无触点发信。这种。这种情