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1、本章介绍：1、霍耳磁敏传感器 2、磁敏电阻,第四章 半导体磁敏传感器,磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)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。 种类较多，不同材料制作的磁敏器件其原理与特性不同。 常用：霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管、磁敏三极管、感应式磁敏传感器等。 随着新的磁特性或新的磁现象的发现，以及功能材料 和IC技术的发展，除出现了新型集成磁敏器件外，还出现了基于巨磁电阻、巨磁阻抗效应的巨磁电阻器件等新型磁敏器件。磁传感器的优势之一源于磁场的存在和对磁的测量能力。,4.1 霍耳磁敏传感器,霍耳效应原理图,（1）霍尔效应：置于磁场中的静止载流导体，当其电流方向与磁
2、场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，该现象称为霍尔效应。 如图，在垂直于外磁场B的方向放置一导电板，导电板通以电流I，电流使自由电子定向运动。此时运动电子受到磁场的洛伦兹力fl作用。因此，除了沿电流 反方向定向运动外，还在fl作用下 漂移，使导电板内侧面积累电子， 外侧面积累正电荷，构成一个内 电场即霍尔电场，形成一个电动 势即霍尔电势。,霍尔电场的产生使定向运动的载流子/电子除受f1作用外，还受电场力eEH作用，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受f1与霍尔电场力大小相等方向相反，即eEH=
3、eBv时， EH=vB。此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。,电流密度 j=nqv,nN型半导体中的电子浓度,N型半导体,对于P型半导体,pP型半导体中的孔穴浓度,由物理学知：,所以：,金属材料，很高但很小；绝缘材料，很高但很小。为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。,霍耳系数（m3/C），由载流材料物理性质决定。 I 控制电流(A);B 磁感强度(T);d 霍尔元件厚度。,材料电阻率；载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。,霍耳电势UH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：,设 KH=RH / d ，则有,KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载
4、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和单位控制电流时霍耳电势的大小。,若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，霍耳电势应为：,UH KH I B,UH KH I B cos,注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。,上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。,同样，若给出控制电压U，由于U=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式,设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平
5、行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势UH的关系式,霍耳器件片 a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路 外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2,（3）霍耳磁敏元件（霍耳器件）,d,（b）,0.5,（a）,电流极,R4,（c）,C、D端子相应地称为霍耳端或输出端。 若霍耳端子间接负载, 称为霍耳负载电阻或霍耳负载。 电流电极间的电阻称为输入电阻，或者控制内阻。 霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。,器件电流(控制或输入电流): 流入到器件内的电流。,A、B端子相应地称器件电流端、控制电流端或输入电流端。,关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规
6、定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。,控制电流I；霍耳电势UH； 控制电压U；输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。,控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件所需控制电流I。霍耳输出端接负载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垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。,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。,（4）基本特性,1、直线性： 指霍耳器件的输出电势UH分别和基本参数I、U、B之间呈线性关系。,UH=KHBI,2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵
7、敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：,KH乘积灵敏度，表示霍耳电势与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。因霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。,KB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强度对应的霍耳电势值。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单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。,若控制电流值固定，则：,UHKBB,若磁场值固定，则：,UHKI I,4、最大输出功率 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关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻
8、R3时，霍耳输出功率为最大。,5、负载特性 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。,3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。,=1.5,理论值,实际值,霍耳电势的负载特性,80,60,40,20,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,UH/mV,=,=7.0,=3.0,B/T,=Ra/R1,UH,Ra,I,霍耳电势随负载电阻值而改变的情况,6、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳
9、系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。,霍耳材料的温度特征 （a）RH与温度的关系；（b）与温度的关系,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。,7、频率特性 磁场恒定，通过传感器的电流交变:器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。 磁场交变。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(特别是气隙宽度)等有关。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。,总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，
10、若能仔细设计气隙宽度，选用合适元件和导磁材料，仍可保证器件有良好频率特性。,8、不等位电势 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁 感应强度为零，则霍尔电势理应为零，但实际不为 零。这时测得的霍尔电势称不等位电势，如图所示。 产生原因： 霍尔电极安装位置不对称 或不在同一等电位面上； 半导体材料不均匀造成了电 阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； 激励电极接触不良造成激 励电流不均匀分布等。,图 不等位电势示意图,9、 不等位电势的补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚 至超过霍尔电势，实用中消除不等位电势极其困难，必 须采用补偿方法。分析不等位电势时，可把霍尔元件等 效为一电桥，
11、通过分析电桥平衡来补偿不等位电势。 右图为霍尔元件的等效电路， 其中A、 B为霍尔电极，C、 D为 激励电极，电极分布电阻分别用r1、 r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的 四个桥臂。,图 霍尔元件的等效电路,理想情况下，电极A、B处同一等位面上， r1= r2= r3= r4 ，电桥平衡，不等位电势为零。实际电桥不平衡，不等位电势不为零。此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联电阻，使电桥达到平衡，使不等位电势为零。几种补偿线路如图所示。图a、b为常见补偿电路，图b、c相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图d用于交流供电的情况。,图 不等位电势补偿电路,10、霍尔元件温
12、度补偿 由于用半导体制成，温度变化使霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都变化，使霍尔元件产生温度误差。为减小温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KHIB可知，用恒流源供电是有效措施，可使霍尔电势稳定。但只能减小因输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。,霍尔元件的灵敏系数KH是温度的函数，霍尔元件灵敏度系数与温度的关系可写成：,KH=KH0(1+T),式中： KH0-温度T0时的KH值；T=T-T0 -温度变化量； -霍尔电势温度系数。,大多数霍尔元件的温度系数为正，其霍尔电势随温升而增加T倍。若同时让激励电流Is相应减小，使得KH Is 积不变，则
13、抵消了灵敏系数KH增加的影响。 下图是按此思路设计的一个简单有效的补偿电路。图中Is为恒流源，分流电阻Rp与 霍尔元件的激励电极并联。当霍 尔元件的输入电阻随温升增加时， 分流电阻Rp自动增大分流，减小 霍尔元件的激励电流IH，从而达 到补偿的目的。,图 恒流温度补偿电路,按上图所示温度补偿电路，设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为Rp0，因此,当温度升至T时，电路中各参数变为,式中：霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系数。,则,温度升高T时，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足温升前、后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则 所以,KH0IH0B=KHIH
14、B,KH0IH0=KHIH,将相应参数带入上式，并略去(T)2高次项得,选定霍尔元件后，输入电阻Ri0、温度系数及霍尔电势温度系数是定值。分流电阻Rp0及所需温度系数由计算得到。为满足上式，分流电阻可由温度系数不同的电阻串、并联组合得到。 另外，可采用电桥补偿方法， 即由初始平衡的电桥因温度变化 而产生不平衡输出，使这个不平 衡输出正好抵消霍尔器件因温 度变化产生的输出变化。,利用霍耳效应与集成电路技术结合制成的磁敏器件，能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。 特点：具有寿命长、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。,（5） 霍耳开关
15、集成传感器,1结构及工作原理,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。 稳压电路可使传感器在较宽电源电压范围内工作；开路输出方便传感器与各种逻辑电路接口。,（b）应用电路,（a）外型,霍耳开关集成传感器的外型及应用电路,2霍耳开关集成传感器的工作特性 从特性曲线知，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性有利。BOP ,BRP分别为“开” “关”的磁感应强度。,B,器件技术参数：工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。,该曲线反映外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度
16、低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,3霍耳开关集成传感器的应用 1）霍耳开关集成传感器的接口电路,VAC,霍耳开关集成传感器的一般接口电路,磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并与,传感器轴心重合的条件下，随磁铁与传感器的间隔距离增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适选择。,（2）给传感器施加磁场的方式,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 的平面垂直。磁 铁以滑近移动的 方式在传感器前 方通过。,采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度,应用霍耳开关时，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距离外，还可用下列方法增强 传感器的磁感应强度
