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1、 一、霍耳磁敏传感器 二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻 4-5 磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 （一）霍耳效应通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势的现象。+I+ + +lwd霍耳效应原理图VH（二）霍耳磁敏传感器工作原理设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。 又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施 加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q电子电量(1.6210-19C)； v电于运动速度。 同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是 可改写成： 电流密度 j=nqvnN型半导体 中的电子浓度N型半导体P型
2、半导体霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率pP型半导体 中的孔穴浓度载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均 速度。金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。 故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。设 KH=RH / d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理 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： VH KH I BVH 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
3、，霍耳电势并不改变方向。控制电流I； 霍耳电势VH； 控制电压V； 输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流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。VHR3 VBIEIH霍耳器件的基本电路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。（四）、基本特性 1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数 I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI
4、2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流 灵敏度、电势灵敏度表示：KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH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)。 因为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： VHKBB若磁场值固定，则：VHKI I3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控 制电流。 4、最大
5、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R3时，霍耳输出功率为最大。 5、最大效率 霍耳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：6、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。 806040200 0.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值实际值VHR3I霍耳电势的负载特性=R3/R2 霍耳电势随负载电阻值
6、而改变的情况7、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 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RH/cm2/A-1250 200 150 100 504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/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。8、频率特性 u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。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
7、输出不受频率影响。 u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，可以 不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如 果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料 ，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电 路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感 知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号 形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命 长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、 工
8、作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等 优点。（五） 霍耳开关集成传感器由稳压电路、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的电 源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与 各种逻辑电路接口。 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H3020T 输出 VoutR=2k+12V123（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1231霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性 比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成， 当外加磁
9、场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍 耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了 提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大 输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成 传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性 集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍 耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速 度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器 有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。（六）霍耳线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出1 8675双端输出传感器的电路结构框图单端
10、输出的传感 器是一个三端器件， 它的输出电压对外加 磁场的微小变化能做 出线性响应，通常将 输出电压用电容交连 到外接放大器，将输 出电压放大到较高的 电平。其典型产品是 SL3501T。双端输出的传感器 是一个8脚双列直插封 装的器件，它可提供 差动射极跟随输出， 还可提供输出失调调 零。其典型产品是 SL3501M。2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图： 磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3 -0.2 -0.100.10.20.3输 出 电 压 U/ VSL3501T传感器的输出特性曲线2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下
11、图： 2.52.01.51.00.50.040.080.120.16 0.200.24输 出 电 压 U/ V磁感应强度B/T SL3501M传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100 （七）霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在 磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技 术、计算技术和自动化技术等领域中均得到 了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的 特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁 量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和 非电量等进行测量和控制。应用这类特性制 作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移 计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触 点
12、开关等。利用霍耳传感器制作的仪器优点：(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)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳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。测量磁场的大小和方向电位差计mAESNR图2.6-24 霍耳磁敏传感器测磁原理示意图二、磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和 磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转 换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度 比霍耳元件高数百甚至数千倍
13、）；能识别 磁场的极性；体积小、电路简单等特点， 因而正日益得到重视；并在检测、控制等 方面得到普遍应用。 （一）磁敏二极管的工作原理和主要特性1磁敏二极管的结构与工作原理 （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。与普通二极管区 别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区 里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，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料 构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm左右的P型或N型 单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P 型和N型锗，并引出，若代表长基区，则其PN结实际上 是由P结和N结共同组成。 以2ACM
14、1A为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号 (a)结构; (b)电路符号H+H-N+区p+区i区 r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和 N型两个区域，并在本征区（i）区的一个侧面上，设 置高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为 光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其 结构如图。PNPNPNH=0H+H- 电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工作原理示意图流过二极管的电流也在 变化，也就是说二极管 等效电阻随着磁场的不 同而不同。为什么磁敏二极管会 有这种特性呢?下面作一 下分析。 （2）磁敏二极管的工作原理 当
15、磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极 即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，iii电子孔穴复合区结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、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。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。 2磁敏二极管的主要特征 （1）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端 正向偏压和通过它 的电流的关系曲线 。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.10 0.10.20.3 0.4（b）531I/mA481216U/V-0.10 0.10.40.30.2-0.3（c） 图2.6-29 磁敏二极管伏安特性曲线 （a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管-0.1T-0.15T-0.2T000由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种 形式。一种如图2.6-29（b）所示，开始在较大 偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压 的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线 上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种 如图2.6-29(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性 曲线上有负阻现象，即电流急增的同
