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1、第4章 磁敏传感器,4.1 磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应 4.2 霍尔元件 4.3 磁 阻 元 件 4.4 磁敏二极管 4.5 磁敏三极管 4.6 磁敏传感器的应用 思考题与习题,4.1 磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应,4.1.1 基础知识 在了解和学习磁敏传感器之前,先让我们回顾以下磁现象及其有关公式。 磁现象和电现象不同,它的特点之一是磁荷（Magnetic Charge）不能单独存在,必须是N、S成对存在（而电荷则不然,正电荷和负电荷可以单独存在）,并且在闭区间表面全部磁束（磁力线）的进出总和必等于零,即div B=0。,磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由公式表
2、示为 该式表示运动电荷e从电场E受到的力和磁场（磁感应强度B）存在时电流ev(v为电荷速度)所受到的力,其中第二项称为洛伦兹力。与这个洛伦兹力相抗衡而产生的相反方向的电动势就是后面我们将要介绍的霍尔电压。,电感L、电流I与它们产生的磁束之间的关系可表示为 =LI 当磁束有变化时, 在与其相交的电路中将产生的电动势为,4.1.2 霍尔效应 有一如图4.1所示的半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。,图4.1 霍尔效应原理图,4.1.3 磁阻效应
3、将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况,理论推出磁阻效应的表达式为 B=0(1+0.273 2B2) 式中：B磁感应强度； 电子迁移率； 0零磁场下的电阻率； B磁感应强度为B时的电阻率。,设电阻率的变化为=B-0,则电阻率的相对变化为 由上式可见,磁场一定,迁移率高的材料磁阻效应明显。 InSb和InAs等半导体的载流子迁移率都很高,很适合制作各种磁敏电阻元件。,4.1.4 形状效应
4、 磁阻的大小除了与材料有关外,还和磁敏元件的几何形状有关。 在考虑到形状的影响时,电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示： 式中： f(lb)为形状效应系数；l为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象,叫形状效应。,4.2 霍尔元件,4.2.1 霍尔元件工作原理 霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。, 如图4.1所示,假设在N型半导体薄片上通以电流I,那么,半导体中的载流子（电子）将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B,则由于洛伦兹力fL
5、 (fL=evB。e： 电子电量；v： 电子速度；B： 磁感应强度)的作用,电子向一边偏转（图中虚线方向）,并使该边形成电子积累,而另一边则积累正电荷,于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转,当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUHl)与洛伦兹力fL相等时,电子的积累便达到动态平衡。,这时,在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势就称为霍尔电势UH,其大小可用下式表示： (4.1) 式中：RH霍尔常数（米3库仑,即m3C）； I控制电流（安培,即A）； B磁感应强度（特斯拉,即T）； d霍尔元件厚度（米,即m）。 令 (伏米2(安韦伯),即Vm2(AWb)(4.2) K
6、H称为霍尔元件的灵敏度。于是 UH=KHIB (4.3),由上式可知,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数,一般要求它越大越好。 KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体（尤其是N型半导体）的霍尔常数RH要比金属的大得多,所以在实际应用中,一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。 元件的厚度d对灵敏度的影响也很大,元件越薄,灵敏度就越高。 由式（4.3）可见,当控制电流的方向或磁场的方向改变时,输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势极性不变。,需要指出的是,在上述公式
7、中,施加在霍尔元件上的磁感应强度为B的磁场是垂直于薄片的,即磁感应强度B的方向和霍尔元件的平面法线是一致的。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时,作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcos）,这时,UH=KHIBcos。 4.2.2 霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成,见图4.2。在长边的两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1,1）,在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引线（见图中2,2）。焊接处要求接触电阻小,且呈纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性
8、金属、陶瓷或环氧树脂封装。,图4.2 霍尔元件示意图,4.2.3 基本电路 通常,在电路中,霍尔元件可用如图4.3所示的几种符号表示。标注时,国产器件常用H代表霍尔元件,后面的字母代表元件的材料,数字代表产品序号。如HZ-1元件,说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件,说明是用锑化铟材料制成的元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表4.1。 图4.4示出了霍尔元件的基本电路。控制电流由电源E供给；R为调节电阻,用于调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf可以是一般电阻,也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下,负载上就有电压输出。在实际使用时,I、B或两者同时作
9、为信号输入,而输出信号则正比于I或B,或正比于两者的乘积。,图4.3 霍尔元件的符号,图4.4 霍尔元件的基本电路,建立霍尔效应所需的时间很短（约10-1210-14s）,因此控制电流用交流时,频率可以很高（几千兆赫）。 在实际应用中,霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作,其特性不一样。究竟应用采用哪种方式，要根据用途来选择。 1. 恒压工作 如图4.5所示,恒压工作比恒流工作的性能要差些,只适用于对精度要求不太高的地方。,当使用SHS210霍尔元件时,工作在1V、1 kGs(1Gs=10-4T)时,输出电压为2155mV,偏移电压为7%（最大）（1.473.85 mV）。无磁场时偏移电压不变,
10、在弱磁场下工作不利。偏移电压可以调整为零,但与运算放大器一样,并不能去除其漂移成分。 在恒压条件下性能不好的主要原因为霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。输入电阻的温度系数因霍尔元件的材料型号而异, GaAs型为0.3%(最大),InSb型为-2%（最大）。 ,图4.5 恒压工作的霍尔传感器电路,恒压工作的控制电流为 Rsr为霍尔元件的输入电阻。 对GaAs霍尔元件而言,温度上升则电阻值变大（+0.3%）,控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化-0.3%(最大),加上若恒流工作时恒流源自身变化-0.06%,其温度特性就显得很不好。对于InSb霍尔元件而言,若恒压工作时恒压源自身的温度系
11、数为-2%（最大）,与电阻变化的+2%相互抵消,则元件的温度系数反而变小。,2. 恒流工作 为了充分发挥霍尔传感器的性能,最好使用恒流源供电,即恒流工作,电路如图4.6所示。在恒流工作下,没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。 恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差些。特别是InSb霍尔元件,由于输入电阻的温度系数大,偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103A GaAs霍尔元件,在5 mA工作电流、1 kGs下,输出电压50120 mA， 此时的偏移电压为10%（512 mV）。,图4.6 恒流工作的霍尔传感器电路,3. 差分放大 霍尔元件的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏,需要用放大
12、电路放大其输出电压。图4.7所示为放大电路的一个例子。霍尔元件是四端器件,为了去除同相电压,需要使用差分放大器。在图4.7（a）中,使用一个运算放大器时,霍尔元件的输出电阻大于运算放大器的输入电阻,这样就会产生误差。图4.7(b)中使用三个运算放大器,则没有这个问题。,图4.7 霍尔传感器的测量电路,图4.7 霍尔传感器的测量电路,在图4.7中,霍尔传感器的输出电压既可以是交流也可以是直流。若只是交流,则可使用图4.8所示的电路形式。在这种电路中,直流成分被电容隔离。对于图4.8(a)所示电路,R2的值很大,应选用漏电流小的电容。由于C2的漏电流大,而C1几乎没有电流,其差表现为偏移电压。在图
13、4.8(b)所示电路中,C1和C2的漏电流相等,漏电流的影响被减轻。在图4.8(c)所示电路中,电容上几乎没有直流电压成分,故漏电流为最小,且放大器的输入电阻值很大。,图4.8 霍尔传感器的输出为交流时的放大电路,图4.8 霍尔传感器的输出为交流时的放大电路,图4.8 霍尔传感器的输出为交流时的放大电路,4.2.4 电磁特性 霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系,霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系等。 1. H-I特性 固定磁场B,在一定温度下,霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系（见图4.9）。直线的斜率称为控制电流灵敏度,用KI表示。按照定义,控制电流灵敏
14、度KI为 （4.4） 由UH=KHIB,可得到 KI=KHB (4.5),由上式可知,霍尔元件的灵敏度KH越大,控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大的元件,其霍尔输出并不一定大。这是因为霍尔电势在B固定时,不但与KH有关,还与控制电流有关。因此,即使灵敏度不大的元件,如果在较大的控制电流下工作,那么同样可以得到较大的霍尔输出。 2. UH-B特性 固定控制电流,元件的开路霍尔输出随磁场的增加并不完全呈线性关系,而有所偏离。通常,霍尔元件工作在0.5Wbm2以下时线性度较好,如图4.10所示。使用中,若对线性度要求很高时,可采用HZ-4,它的线性偏离一般不大于0.2%。,图4.9 霍尔元件的UH-
15、I特性曲线,图4.10 霍尔元件的UH-B特性曲线,4.2.5 误差分析及误差补偿 1. 不等位电势及其补偿 不等位电势是一个主要的零位误差。由于在制作霍尔元件时,不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上,如图4.11所示, 因此,当控制电流I流过元件时,即使磁场强度B等于零,在霍尔电极上仍有电势存在,该电势就称为不等位电势。在分析不等位电势时,我们把霍尔元件等效为一个电桥,如图4.12所示。电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4,电桥平衡,这时,输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时,如图4.11所示,因r3增大,r4减小,则电桥失去平衡,因此,输出电压Uo就不等于零。恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向,就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不等位电势。,图4.11 不等位电势示意图,图4.12 霍尔元件的等效电路,对已制成的霍尔元件,可以采用外接补偿线路进行补偿。常用的几种补偿线路如图4.13所示。,图4.13 不等位电势的几种补偿线路,2. 温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化,因此,霍尔元件的性
