传感器刘笃仁版磁敏传感器课件

《传感器刘笃仁版磁敏传感器课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器刘笃仁版磁敏传感器课件（137页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第1页共页共157页页第第4章章磁敏传感器磁敏传感器4.1磁敏传感器的物理基础磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应霍尔、磁阻、形状效应4.2霍尔元件霍尔元件4.3磁磁阻阻元元件件4.4磁敏二极管磁敏二极管4.5磁敏三极管磁敏三极管4.6磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用思考题与习题思考题与习题7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第2页共页共157页页 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器通常指通常指通常指通常指电参数电参数电参数电参数按一定规律随按一定规律随按一定规律随按一定规律随磁性量磁性

2、量磁性量磁性量变化的传变化的传变化的传变化的传感器。感器。感器。感器。 磁敏传感器主要是利用磁敏传感器主要是利用磁敏传感器主要是利用磁敏传感器主要是利用霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应及及及及磁阻效应磁阻效应磁阻效应磁阻效应原理构成的。原理构成的。原理构成的。原理构成的。 构成磁敏传感器的敏感元件有构成磁敏传感器的敏感元件有构成磁敏传感器的敏感元件有构成磁敏传感器的敏感元件有霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件、磁阻元件磁阻元件磁阻元件磁阻元件、磁敏磁敏磁敏磁敏晶体管晶体管晶体管晶体管、磁敏集成电路磁敏集成电路磁敏集成电路磁敏集成电路。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁

3、敏传感器磁敏传感器第第4章第章第3页共页共157页页4.1磁敏传感器的物理基础磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、霍尔、磁阻、形状效应形状效应 磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。 按其结构可分为体型和结型两大类。按其结构可分为体型和结型两大类。按其结构可分为体型和结型两大类。按其结构可分为体型和结型两

4、大类。 体型体型体型体型的有的有的有的有霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器，其主要材料，其主要材料，其主要材料，其主要材料InSbInSb( ( ( (锑化铟锑化铟锑化铟锑化铟) ) ) )、InAsInAs（砷化铟）、（砷化铟）、（砷化铟）、（砷化铟）、GeGe（锗）、（锗）、（锗）、（锗）、SiSi、GaAsGaAs等和等和等和等和磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻InSbInSb、InAsInAs。 结型结型结型结型的有的有的有的有磁敏二极管磁敏二极管磁敏二极管磁敏二极管GeGe、SiSi, , , ,磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管磁敏晶体管SiSi 应用范围可分为模拟用途和数字用途

5、。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第4页共页共157页页4.1.1霍尔效应霍尔效应有有一一如如图图4.1所所示示的的半半导导体体薄薄片片，若若在在它它的的两两端端通通以以控控制制电电流流I，在在薄薄片片的的垂垂直直方方向向上上施施加加磁磁感感应应强强度度为为B的的磁磁场场，则则在在薄薄片片的的另另两两侧侧面面会会产产生生与与I和和B的的乘乘积积成成比比例例的的电电动动势势UH（霍霍尔尔电电势势或或称称霍霍尔尔电电压压）。这这种种现现象

6、象就就称称为为霍尔效应。霍尔效应。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件图图7-1 7-1 霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB若薄片为若薄片为N型，控制电流型，控制电流I自左向右自左向右,多数载流子电子沿与多数载流子电子沿与I反向运动，反向运动，B使电使电子受到子受到LorentzFL而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电子带正电，前后而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电子带正电，前后端面间形成电场端面间形成电场积累越多，电场越强积累越多，电场越强.当当FL与与FE相等时的电场为相等时的电场为EH，相应的电势为霍尔电势，相应的电

7、势为霍尔电势UH。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第7页共页共157页页4.1.2磁阻效应磁阻效应将将一一载载流流导导体体置置于于外外磁磁场场中中，除除了了产产生生霍霍尔尔效效应应外外，其其电电阻阻也也会会随随磁磁场场而而变变化化。这这种种现现象象称称为为磁磁致致电电阻阻效效应应，简简称称为为磁磁阻阻效应效应。BIBlIb7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第8页共页共157页页式中：式中：B磁感应强度；磁感应强度；电子迁移率；电子迁移率；0零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率；B

8、磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率。时的电阻率。当当温温度度恒恒定定时时，在在弱弱磁磁场场范范围围内内，磁磁阻阻与与磁磁感感应应强强度度B的的平平方方成成正正比比。对对于于只只有有电电子子参参与与导导电电的的最最简简单单的的情情况况，理理论论推推出磁阻效应的表达式为：出磁阻效应的表达式为：在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子子(电子和空穴电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流

9、子引起电阻率变化一种载流子引起电阻率变化.7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第9页共页共157页页则电阻率的相对变化为：则电阻率的相对变化为：由上式可见，由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb（锑化铟）（锑化铟）和和InAs（砷化铟）（砷化铟）等半导体的载流子迁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。移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。设电阻率的变化为设电阻率的变化为:7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章

10、第10页共页共157页页磁磁阻阻的的大大小小除除了了与与材材料料有有关关外外，还还和和磁磁敏敏元元件件的的几何形状有关几何形状有关。在在考考虑虑到到形形状状的的影影响响时时，电电阻阻率率的的相相对对变变化化与与磁磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：式中：式中：f(lb)为为形状效应系数形状效应系数；l为磁敏元件的长度；为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化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，叫形状效应而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。4.1.3形状效应形状效应7/20/

11、2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第11页共页共157页页4.2霍尔元件霍尔元件4.2.1霍尔元件工作原理霍尔元件工作原理霍霍尔尔元元件件是是基基于于霍霍尔尔效效应应工工作作的的。霍霍尔尔效效应应的的产产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第12页共页共157页页如如图图4.1所所示示，假假设设在在N型型半半导导体体薄薄片片上上通通以以电电流流I，那那么么半半导导体体中中的的载载流流子子（电电子子）将将沿沿

12、着着和和电电流流相相反反的的方方向向运运动动。若若在在垂垂直直于于半半导导体体薄薄片片平平面面的的方方向向上上加加以以磁磁场场B，则则由由于于洛洛伦伦兹兹力力fL(fL=evB）的的作作用用，电电子子向向一一边边偏偏转转（图图中中虚虚线线方方向向），并并使使该该边边形形成成电电子子积积累，而另一边则积累正电荷，于是产生电场。累，而另一边则积累正电荷，于是产生电场。该该电电场场阻阻止止运运动动电电子子的的继继续续偏偏转转，当当电电场场作作用用在在运运动动电电子子上上的的力力fE(fE=eUHb)与与洛洛伦伦兹兹力力fL相相等等时时，电子的积累便达到动态平衡。电子的积累便达到动态平衡。7/20/2

13、024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第13页共页共157页页(伏伏米米2(安安韦伯韦伯)，即，即Vm2(AWb)KH称为霍尔元件的灵敏度称为霍尔元件的灵敏度。于是：。于是： UH=KHIB (4.3)这时在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场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相应的电势就称为霍尔电势UH，其大小可用下式表示：，其大小可用下式表示：(4.1)式中：式中：RH霍尔常数（米霍尔常数（米3库仑，即库仑，即m3C）；）；I控制电流（安培，即控制电流（安培，即A）；）；B磁感应强度（特斯拉，即磁感应强度（

14、特斯拉，即T）；）；d霍尔元件厚度（米，即霍尔元件厚度（米，即m）。）。令：令：(4.2)7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第14页共页共157页页霍霍尔尔电电势势的的大大小小正正比比于于控控制制电电流流I和和磁磁感感应应强强度度B。霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度KH是是表表征征对对应应于于单单位位磁磁感感应应强强度度和和单单位位控控制制电电流流时时输输出出霍霍尔尔电电压压大大小小的的一一个个重重要要参参数数，一一般般要要求求它它越大越好。越大越好。KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。与元件材料的性质和几何尺寸有关。由由于于半半导导体

15、体（尤尤其其是是N型型半半导导体体）的的霍霍尔尔常常数数RH要要比比金金属属的的大大得得多多，所所以以在在实实际际应应用用中中，一一般般都都采采用用N型型半半导导体体材材料料做做霍霍尔尔元元件件。元元件件的的厚厚度度d对对灵灵敏敏度度的的影影响响也也很很大大，元元件越薄，灵敏度就越高件越薄，灵敏度就越高。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第15页共页共157页页由由上上式式可可见见，当当控控制制电电流流的的方方向向或或磁磁场场的的方方向向改改变变时时，输输出出电电势势的的方方向向也也将将改改变变。但但当当磁磁场场与与电电流流同同时时改改

16、变变方方向向时时，霍霍尔电势极性不变。尔电势极性不变。施施加加在在霍霍尔尔元元件件上上的的磁磁感感应应强强度度为为B的的磁磁场场是是垂垂直直于于薄薄片片的，即磁感应强度的，即磁感应强度B的方向和霍尔元件的的方向和霍尔元件的平面法线平面法线是一致的。是一致的。当当磁磁感感应应强强度度B和和元元件件平平面面法法线线成成一一角角度度时时，作作用用在在元元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcos）时）时:7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第16页共页共157页页图图4.2霍尔元件示意图霍尔元件示意图4.2

17、.2霍尔元件结构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，一般采用成。霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型型的的锗锗、锑化铟锑化铟和和砷化铟砷化铟等半导体单晶材料制成，见图等半导体单晶材料制成，见图4.2。在长边。在长边的两个端面上焊有两根的两个端面上焊有两根控制电流端控制电流端引线（见图中引线（见图中1，1），），在元件短边的中间以点的形式焊有两根在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端霍尔电压输出端引引线（见图中线（见图中2，2）。）。焊接处要求接触电阻小焊接处要求接触电阻小，且呈纯电

18、阻且呈纯电阻性质（欧姆接触）性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。氧树脂封装。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第17页共页共157页页7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第18页共页共157页页霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片( (一般为一般为一般为一般为4mm2mm0.1mm)4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊

19、有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有a a、b b两根引线，通常用两根引线，通常用两根引线，通常用两根引线，通常用红色导线红色导线红色导线红色导线，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为控制电极控制电极控制电极控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c c、d d两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用绿色导线绿色导线绿色导线绿色导线，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接

20、处称为，其焊接处称为霍尔电极霍尔电极霍尔电极霍尔电极。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第19页共页共157页页4.2.3基本电路基本电路在在电电路路中中，霍霍尔尔元元件件可可用用如如图图4.3所所示示的的几几种种符符号号表表示示。标标注注时时，国国产产器器件件常常用用H代代表表霍霍尔尔元元件件，后后面面的的字字母母代代表表元元件件的的材材料料，数数字字代代表表产产品品序序号号。如如HZ-1元元件件，说说明明是是用用锗锗材材料料制制成成的的霍霍尔尔元元件件；HT-1元元件件，说说明明是是用用锑锑化化铟铟材材料料制制成成的的元件。常用霍尔

21、元件及其参数见本节后面的表元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表4.1(P84)。图图4.3霍尔元件的符号霍尔元件的符号7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第20页共页共157页页图图4.4示出了霍尔元件的基示出了霍尔元件的基本电路。控制电流由电源本电路。控制电流由电源E供给；供给；R为调节电阻，用于调节控制电为调节电阻，用于调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载流的大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf可以是一般电阻，也可以可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器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内阻。在磁场与控制电

22、流的作用下，负载上就有电压输出。用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，在实际使用时，I、B或两者同或两者同时作为信号输入，而输出信号时作为信号输入，而输出信号则正比于则正比于I或或B，或正比于两者，或正比于两者的乘积。的乘积。图图4.4霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第21页共页共157页页建建立立霍霍尔尔效效应应所所需需的的时时间间很很短短（约约10-1210-14s），因因此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）。此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）。在在实实际际应应用用中中，霍霍

23、尔尔元元件件可可以以在在恒恒压压或或恒恒流流条条件件下下工工作作，其其特特性性不不一一样样。究究竟竟应应用用采采用用哪哪种种方方式式，要要根根据据用用途途来选择。来选择。1.恒压工作恒压工作如如图图4.5所所示示，恒恒压压工工作作比比恒恒流流工工作作的的性性能能要要差差些些，只只适用于对精度要求不太高的地方。适用于对精度要求不太高的地方。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第22页共页共157页页图图4.5恒压工作的霍尔传感器电路恒压工作的霍尔传感器电路B=1KGs(2155mV)7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章

24、章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第23页共页共157页页当当 使使 用用 SHS210霍霍 尔尔 元元 件件 时时 ， 工工 作作 在在 1V、 1kGs(1Gs=10-4T)时时，输输出出电电压压为为2155mV，偏偏移移电电压压为为7%（最最大大）（1.473.85mV）。无无磁磁场场时时偏偏移移电电压压不不变变，在在弱弱磁磁场场下下工工作作不不利利。偏偏移移电电压压可可以以调调整整为为零，但与运算放大器一样，并不能去除其漂移成分。零，但与运算放大器一样，并不能去除其漂移成分。在在恒恒压压条条件件下下性性能能不不好好的的主主要要原原因因为为霍霍尔尔元元件件输输入入电电阻阻随随温温度度变变

25、化化和和磁磁阻阻效效应应的的影影响响。输输入入电电阻阻的的温温度度系系数数因因霍霍尔尔元元件件的的材材料料型型号号而而异异，GaAs型型为为0.3%(最大最大)，InSb型为型为-2%（最大）。（最大）。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第24页共页共157页页Rsr为霍尔元件的输入电阻。为霍尔元件的输入电阻。对对GaAs（砷化镓）霍尔元件而言（砷化镓）霍尔元件而言，温度上升则电，温度上升则电阻值变大（阻值变大（+0.3%），控制电流减小。若电阻变），控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化化使控制电流变化-0.3%(最大最大)，加上若恒

26、压源工，加上若恒压源工作时自身变化作时自身变化-0.06%，其温度特性就显得很不好。，其温度特性就显得很不好。对于对于InSb（锑化铟）霍尔元件而言（锑化铟）霍尔元件而言，若恒压工作，若恒压工作时恒压源自身的温度系数为时恒压源自身的温度系数为-2%（最大），与电（最大），与电阻变化的阻变化的-2%相互抵消，则元件的温度系数反而相互抵消，则元件的温度系数反而变小。变小。恒压工作的控制电流为：恒压工作的控制电流为：7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第25页共页共157页页2.恒流工作恒流工作为为了了充充分分发发挥挥霍霍尔尔传传感感器器的的性

27、性能能，最最好好使使用用恒恒流流源源供供电电，即即恒恒流流工工作作，电电路路如如图图4.6所所示示。在在恒恒流流工工作作下下，没没有有霍霍尔尔元元件件输输入入电电阻阻和和磁磁阻阻效效应应的影响。的影响。图图4.6恒流工作的霍尔传感器电路恒流工作的霍尔传感器电路50120mV7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第26页共页共157页页恒流工作时恒流工作时偏移电压的稳定性偏移电压的稳定性比恒压工作时比恒压工作时差些差些。特别是特别是InSb（锑化铟）（锑化铟）霍尔元件，由于输入电阻的温霍尔元件，由于输入电阻的温度系数大，偏移电压的影响更为显著

28、。对电路图中的度系数大，偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103AGaAs（砷化镓）（砷化镓）霍尔元件，在霍尔元件，在5mA工作电工作电流、流、1kGs下，输出电压下，输出电压50120mV，此时的偏移电此时的偏移电压为压为10%（512mV）。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第27页共页共157页页4.2.4电磁特性电磁特性霍霍尔尔元元件件的的电电磁磁特特性性包包括括控控制制电电流流（直直流流或或交交流流）与与输输出出之之间间的的关关系系，霍霍尔尔输输出出（恒恒定定或或交交变变）与磁场之间的关系与磁场之间的关系等。等。1.H

29、-I特性特性固固定定磁磁场场B，在在一一定定温温度度下下，霍霍尔尔输输出出电电势势UH与与控控制制电电流流I之之间间呈呈线线性性关关系系（见图（见图4.9）。）。图图4.9霍尔元件的霍尔元件的UH-I特性曲线特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第28页共页共157页页直直线线的的斜斜率率称称为为控控制制电电流流灵灵敏敏度度，用用KI表表示示。按按照定义，控制电流灵敏度照定义，控制电流灵敏度KI为：为：（4.4）由由UH=KHIB，可得到：，可得到：KI=KHB (4.5)由上式可知，由上式可知，霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度KH

30、越大，控制电流灵敏越大，控制电流灵敏度也就越大度也就越大。但灵敏度大的元件，其霍尔输出并不一定大。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这是因为霍尔电势在B固定时，不但与固定时，不但与KH有关，还与控制电有关，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。流下工作，那么同样可以得到较大的霍尔输出。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第29页共页共157页页2.UH-B特性特性固固定定控控制制电电流流，元元件件的

31、的开开路路霍霍尔尔输输出出随随磁磁场场的的增增加加并并不不完完全全呈呈线线性性关关系系，而而有有所所偏偏离离。通通常常霍霍尔尔元元件件工工作作在在0.5Wbm2以以下下时时线线性性度度较较好好，如如图图4.10所所示示。使使用用中中，若若对对线线性性度度要要求求很很高高时时，可可采采用用HZ-4，它它的的线线性性偏偏离离一一般般不不大大于于0.2%。图图4.10霍尔元件的霍尔元件的UH-B特性曲线特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第30页共页共157页页4.2.5误差分析及误差补偿误差分析及误差补偿1.不不等等位位电电势势及及其

32、其补补偿偿不不等等位位电电势势是是一一个个主主要要的的零零位位误误差差。由由于于在在制制作作霍霍尔尔元元件件时时，不不可可能能保保证证将将霍霍尔尔电电极极焊焊在在同同一一等等位位面面上上，如如图图4.11所所示示，因因此此当当控控制制电电流流I流流过过元元件件时时，即即使使磁磁场场强强度度B等等于于零零，在在霍霍尔尔电电极极上上仍仍有有电电势势存存在在，该电势就称为该电势就称为不等位电势不等位电势。图图4.11不等位电势示意图不等位电势示意图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第31页共页共157页页电电桥桥臂臂的的四四个个电电阻阻分分别

33、别为为r1、r2、r3、r4。当当两两个个霍霍尔尔电电极极在在同同一一等等位位面面上上时时，r1=r2=r3=r4，电电桥桥平平衡衡，这这时时输输出出电电压压Uo等等于于零零。当当霍霍尔尔电电极极不不在在同同一一等等位位面面上上时时，如如图图4.11所所示示，因因r3增增大大，r4减减小小，则则电电桥桥失失去去平平衡衡，因因此输出电压此输出电压Uo就不等于零。就不等于零。图图4.12霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路恢恢复复电电桥桥平平衡衡的的办办法法是是减小减小r2、r3。在分析不等位电势时，我在分析不等位电势时，我们们把霍尔元件等效为一个电桥把霍尔元件等效为一个电桥，如图如图4.12所示

34、。所示。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第32页共页共157页页在在制造过程中制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向，就应如确知霍尔电极偏离等位面的方向，就应采用采用机械修磨机械修磨或用或用化学腐蚀元件化学腐蚀元件的方法来的方法来减小不等位电势减小不等位电势。对对已制成已制成的霍尔元件，可以采用的霍尔元件，可以采用外接补偿线路外接补偿线路进行进行补偿补偿。常用的几种补偿线路如图常用的几种补偿线路如图4.13所示。所示。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第33页共页共157页页

35、图图4.13几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第34页共页共157页页2.温度误差及其补偿温度误差及其补偿由由于于半半导导体体材材料料的的电电阻阻率率、迁迁移移率率和和载载流流子子浓浓度度等等会会随随温温度度的的变变化化而而发发生生变变化化，因因此此霍霍尔尔元元件件的的性性能能参参数数（如如内阻、霍尔电势等）对内阻、霍尔电势等）对温度的变化温度

36、的变化也是也是很灵敏很灵敏的。的。为为了了减减小小霍霍尔尔元元件件的的温温度度误误差差，除除选选用用温温度度系系数数小小的的元元件件（如如砷砷化化铟铟）或或采采用用恒恒温温措措施施外外，用用恒恒流流源源供供电电往往往往可可以以得得到到明明显显的的效效果果。恒恒流流源源供供电电的的作作用用是是减减小小元元件件内内阻阻随温度变化而引起的控制电流的变化。随温度变化而引起的控制电流的变化。但但采采用用恒恒流流源源供供电电还还不不能能完完全全解解决决霍霍尔尔电电势势的的稳稳定定性性问题问题，还必须，还必须结合结合其它其它补偿线路补偿线路。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传

37、感器磁敏传感器第第4章第章第35页共页共157页页图图4.14所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制电流极它是在控制电流极并联并联一个合适的一个合适的补偿电阻补偿电阻r0，这个电阻起分，这个电阻起分流作用。流作用。当温度升高当温度升高时，霍尔元件的时，霍尔元件的内阻迅速增加内阻迅速增加，所以流过，所以流过元件的元件的电流减小电流减小，而，而流过补偿电阻流过补偿电阻r0的电流却增加的电流却增加。这样利用。这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻，就能自动调节流过霍尔元件内阻的温度特性和一个补偿电阻，就能自动调节流过霍尔元件的电流大小，从

38、而起到补偿作用。元件的电流大小，从而起到补偿作用。图图4.14温度补偿电路温度补偿电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第36页共页共157页页(4.14)是霍尔元件的内阻温度系数是霍尔元件的内阻温度系数是霍尔电势的温度系数是霍尔电势的温度系数,R0温度为温度为T0时，霍尔元件的内阻时，霍尔元件的内阻可以直接测量出来可以直接测量出来。实践表明，实践表明，补偿后霍尔电势受温度的影响极小，且这补偿后霍尔电势受温度的影响极小，且这种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响，种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响，只是输出电只是输出电压稍有降低。这

39、显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补压稍有降低。这显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流，使通偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流，使通过霍尔元件的电流达到额定电流，输出电压就会不变。过霍尔元件的电流达到额定电流，输出电压就会不变。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第37页共页共157页页霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器是是利利用用霍霍耳耳效效应应与与集集成成电电路路技技术术结结合合而而制制成成的的一一种种磁磁敏敏传传感感器器，它它能能感感知知一一切切与与磁磁信信息息有有关关的的物物

40、理理量量，并并以以开开关关信信号号形形式式输输出出。霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器具具有有使使用用寿寿命命长长、无无触触点点磨磨损损、无无火火花花干干扰扰、无无转转换换抖抖动动、工工作作频频率率高高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。温度特性好、能适应恶劣环境等优点。4.2.6 4.2.6 霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第38页共页共157页页VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL7/20/202

41、4传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第39页共页共157页页磁铁轴心接近式磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，件下，随磁铁与传感器的间隔距离的增加随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的作用在传感器表面的霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.515 17.520距离L1/mmB/TL1磁感强度衰减很快。磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近

42、当磁铁向传感器接近到一定位置时到一定位置时, ,传感传感器开关接通器开关接通, ,而磁铁而磁铁移开到一定距离时开移开到一定距离时开关关断。应用时关关断。应用时, ,如如果磁铁已选定果磁铁已选定, ,则应则应按具体的应用场合按具体的应用场合, ,对作用距离作合适的对作用距离作合适的选择。选择。（2 2）给传感器施加磁场的方式）给传感器施加磁场的方式7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第40页共页共157页页 磁磁铁铁侧侧向向滑滑近近式式要要求求磁磁铁铁平平面面与与传传感感器器平平面面的的距距离离不不变变，而而磁磁铁铁的的轴轴线线与与传传感感

43、器器的的平平面面垂垂直直。磁磁铁铁以以滑滑近近移移动动的的方方式式在传感器前方通过。在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第41页共页共157页页采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重在霍耳开关应用时，提高激励传感

44、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，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。SN磁力集中器传感器磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图SN磁力集中器传感器磁铁铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第42页共页共157页页霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械

45、设备的限位开关、按安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等4.霍耳开关集成传感器的应用领域霍耳开关集成传感器的应用领域7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第43页共页共157页页1 1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结构及工作原理 霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出电电压压与与外外加加磁磁场场成成线线性性比比例例关关系系。这这类类传传感感器器一一般般由由霍霍耳耳元元件件和和放放大大器器组组成成，当当外外加加

46、磁磁场场时时, ,霍霍耳耳元元件件产产生生与与磁磁场场成成线线性性比比例例变变化化的的霍霍耳耳电电压压, ,经经放放大大器器放放大大后后输输出出。在在实实际际电电路路设设计计中中，为为了了提提高高传传感感器器的的性性能能，往往往往在在电电路路中中设设置置稳稳压压、电电流流放放大大输输出出级级、失失调调调调整整和和线线性性度度调调整整等等电路电路。 霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器的的输输出出有有低低电电平平或或高高电电平平两两种种状状态态，而而霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器的的输输出出却却是是对对外外加加磁磁场场的的线线性性感感应应。因因此此霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器广广泛

47、泛用用于于位位置置、力力、重重量量、厚厚度度、速速度度、磁磁场场、电电流流等等的的测测量量或或控控制制。霍霍耳耳线线性性集集成成传传感感器器有有单单端端输输出出和双端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。两种，其电路结构如下图。4.2.7 4.2.7 霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传感器7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第44页共页共157页页单端输出传感器的电路结构框图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18675双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图单单端输出

48、的传感端输出的传感器是一个三端器件，器是一个三端器件，它的输出电压对外加它的输出电压对外加磁场的微小变化能做磁场的微小变化能做出线性响应，通常将出线性响应，通常将输出电压连到外接放输出电压连到外接放大器，将输出电压放大器，将输出电压放大到较高的电平。其大到较高的电平。其典型产品是典型产品是SL3501T。双端输出的传感器双端输出的传感器是一个是一个8脚双列直插封脚双列直插封装的器件，它可提供装的器件，它可提供差动射极跟随输出，差动射极跟随输出，还可提供输出失调调还可提供输出失调调零。其典型产品是零。其典型产品是SL3501M。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感

49、器磁敏传感器第第4章第章第45页共页共157页页2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1) 传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图： 磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3-0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第46页共页共157页页2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)(2) 传感器的输出特性如下图：传感器的输出

50、特性如下图： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=1007/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第47页共页共157页页（七）霍耳磁敏传感器的应用（七）霍耳磁敏传感器的应用利利用用霍霍耳耳效效应应制制作作的的霍霍耳耳器器件件，不不仅仅在在磁磁场场测测量量方方面面，而而且且在在测测量量技技术术、无无线线电电技技术术、计计算算技技术术和和自自动动化化技技术术等等

51、领领域中均得到了广泛应用。域中均得到了广泛应用。利利用用霍霍耳耳电电势势与与外外加加磁磁通通密密度度成成比比例例的的特特性性，可可借借助助于于固固定定元元件件的的控控制制电电流流，对对磁磁量量以以及及其其他他可可转转换换成成磁磁量量的的电电量量、机机械械量量和和非非电电量量等等进进行行测测量量和和控控制制。应应用用这这类类特特性性制制作作的的器器具具有有磁磁通通计计、电电流流计计、磁磁读读头头、位位移移计计、速速度度计计、振振动动计、罗盘、转速计、无触点开关计、罗盘、转速计、无触点开关等。等。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第48页共

52、页共157页页利用霍耳传感器制作的仪器利用霍耳传感器制作的仪器优点：优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。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。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。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。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。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍霍耳耳器器件件也也存存在在转转换换效效率率低低和和受受温温度度影影响响大大等等明明显显缺缺点点。但但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得

53、到克服。是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第49页共页共157页页4.6.1霍尔元件的应用霍尔元件的应用1.霍尔位移传感器霍尔位移传感器如如图图4.41(a)，在在极极性性相相反反、磁磁场场强强度度相相同同的的两两个个磁磁钢钢的的气气隙隙中中放放置置一一个个霍霍尔尔元元件件。当当元元件件的的控控制制电电流流I恒定不变时，霍尔电势恒定不变时，霍尔电势UH与磁感应强度与磁感应强度B成正比。成正比。图图4.41霍尔位移传感器的磁路结构示意图霍尔位移传感器的磁路结构示意图(a)磁路结构；（磁

54、路结构；（b）磁场变化磁场变化磁场在一定范磁场在一定范围内沿围内沿x方向的方向的变化梯度变化梯度dBdx为一常数为一常数7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第50页共页共157页页式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将式（将式（4.15）积分后得：）积分后得：UH=kx（4.16）式式(4.16)说说明明，霍霍尔尔电电势势与与位位移移量量成成线线性性关关系系。霍霍尔尔电电势势的的极极性性反反映映了了元元件件位位移移的的方方向向。磁磁场场梯梯度度越越大大，灵灵敏敏度度越越高高；磁磁场场梯梯度度越越均均匀匀，输输

55、出出线线性性度度越越好好。当当x=0，即即元元件件位位于于磁磁场场中中间间位位置置上上时时，UH=0。这这是是由由于于元元件件在在此此位位置置受受到到方方向向相反、大小相等的磁通作用的结果。相反、大小相等的磁通作用的结果。（4.15）若磁场在一定范围内沿若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度dBdx为一常为一常数（见图数（见图4.40(b)），则当霍尔元件沿），则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势方向移动时，霍尔电势的变化为：的变化为：7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第51页共页共157页页霍尔位移传感器一般可用来测量霍尔

56、位移传感器一般可用来测量12mm的小位移的小位移。其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其它非电量，如力、压力、压差、一原理还可以测量其它非电量，如力、压力、压差、液位、加速度等。液位、加速度等。 后面给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图后面给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第52页共页共157页页图图（a）是是磁磁场场强强度度相相同同的的两两块块永永久久磁磁铁铁，同同极极性性相相对对地地放放置置，霍霍尔尔元元件件处处在在两两块

57、块磁磁铁铁的的中中间间。由由于于磁磁铁铁中中间间的的磁磁感感应应强强度度B=0，因因此此霍霍尔尔元元件件输输出出的的霍霍尔尔电电势势UH也也等等于于零零，此此时时位位移移x=0。若若霍霍尔尔元元件件在在两两磁磁铁铁中中产产生生相相对对位位移移，霍霍尔尔元元件件感感受受到到的的磁磁感感应应强强度度也也随随之之改改变变，这这时时UH不不为为零零，其其量量值值大大小小反反映映出出霍霍尔尔元元件件与与磁磁铁铁之之间间相相对对位位置置的的变变化化量量。这这种种结结构构的的传传感感器器，其其动态范围可达动态范围可达5mm，分辨率为，分辨率为0.001mm。磁场强度相同传感器磁场强度相同传感器7/20/20

58、24传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第53页共页共157页页图图（b）是是一一种种结结构构简简单单的的霍霍尔尔位位移移传传感感器器，是是由由一一块块永永久久磁磁铁铁组组成成磁磁路路的的传传感感器器，在在霍霍尔尔元元件件处处于于初初始始位位置置x=0时时，霍霍尔电势尔电势UH等于零。等于零。简单的位移传感器简单的位移传感器7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第54页共页共157页页2.霍尔压力传感器霍尔压力传感器图图4.42是是HYD型型压压力力传传感感器器。这这类类霍霍尔尔压压力力传传感感器器是是

59、把把压压力力先先转转换换成成位位移移后后，再再应应用用霍霍尔尔电电势势与与位位移移关关系系测测量量压压力力。图图4.42HYD型压力传感器型压力传感器作为压力敏感元件的弹簧作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端安管，其一端固定，另一端安装着霍尔元件。装着霍尔元件。当输入压力增加时，弹簧管伸当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定梯度磁场中的霍尔长，使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移，从霍尔元件元件产生相应的位移，从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的输出电压的大小即可反映出压力的大小。的大小。其元件的位移在其元件的位移在1.5mm范围内，范围内，输出约输出约20mV，工作电

60、流，工作电流10mA，线，线性较好。性较好。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第55页共页共157页页图图4.43磁极检测器电路磁极检测器电路3.霍尔磁极检测器霍尔磁极检测器输出输出电压电压大的大的InSb限流电阻限流电阻当用它靠近被测磁铁时，表当用它靠近被测磁铁时，表针就会指示出极性针就会指示出极性电流指示灯电流指示灯7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第56页共页共157页页霍尔元件放置于磁体的气隙中，当轴转动时，霍尔元霍尔元件放置于磁体的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压

61、则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电件输出的电压则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后，便可求得转速的数据。压经处理电路处理后，便可求得转速的数据。4.霍尔转速测量仪霍尔转速测量仪利用霍尔效应测量转速有两种可行的方案，图利用霍尔效应测量转速有两种可行的方案，图4.44(a)中中将永磁体安装在旋转轴的轴端；将永磁体安装在旋转轴的轴端；7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第57页共页共157页页图图4.44(b)中是将永磁体安装在旋转轴的轴侧。中是将永磁体安装在旋转轴的轴侧。 霍尔元件放置于磁体的气隙中，当轴转动时，霍尔元

62、霍尔元件放置于磁体的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电件输出的电压则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后，便可求得转速的数据。压经处理电路处理后，便可求得转速的数据。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第58页共页共157页页图图7-16几种霍尔式转速传感器的结构几种霍尔式转速传感器的结构转转盘盘的的输输入入轴轴与与被被测测转转轴轴相相连连，当当被被测测转转轴轴转转动动时时，转转盘盘随随之之转转动动，固固定定在在转转盘盘附附近近的的霍霍尔尔传传感感器器便便可可在在每每一一个个小小

63、磁磁铁铁通通过过时时产产生生一一个个相相应应的的脉脉冲冲，检检测测出出单单位位时时间间的的脉脉冲冲数数，便便可可知知被被测测转转速速。根根据据磁磁性性转转盘盘上上小小磁磁铁铁数数目目多多少少就就可可确确定定传传感感器器测测量量转转速速的分辨率。的分辨率。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第59页共页共157页页5.用霍尔元件测量电流用霍尔元件测量电流用用霍霍尔尔元元件件测测量量工工程程上上的的大大直直流流电电流流，往往往往具具有有结结构构简简单单、成成本本低低廉廉、准准确确度度高高等等诸诸多多优优点点。常常用用的的测量方法有：测量方法有

64、：旁测法；贯串法；绕线法等。旁测法；贯串法；绕线法等。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第60页共页共157页页图图4.45旁测法旁测法1）旁测法旁测法旁测法是一种较简旁测法是一种较简单的方法，其测量方案单的方法，其测量方案如图如图4.45所示。将霍尔所示。将霍尔元件放置在通电导线附元件放置在通电导线附近，给霍尔元件加上控近，给霍尔元件加上控制电流，被测电流产生制电流，被测电流产生的磁场将使霍尔元件产的磁场将使霍尔元件产生相应的霍尔输出电压，生相应的霍尔输出电压，从而可得到被测电流的从而可得到被测电流的大小。该法大小。该法只适宜于那只适

65、宜于那些要求不很高的测量场些要求不很高的测量场合合。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第61页共页共157页页2）贯串法贯串法贯串法是一种较实用的方法，其测量方案如图贯串法是一种较实用的方法，其测量方案如图4.46所示。所示。该法是把铁磁材料做成该法是把铁磁材料做成磁导体磁导体的铁心，使被测通电导线贯串的铁心，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，于是可通过环形铁心来集中磁力线。中，于是可通过环形铁心来集中磁力线。图图4.46贯串法贯串法7/20/2

66、024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第62页共页共157页页当被测导线中有电流流过时，在导线周围就会产生磁场，当被测导线中有电流流过时，在导线周围就会产生磁场，使导磁体铁心磁化成一个暂时性磁铁，在环形气隙中就会形使导磁体铁心磁化成一个暂时性磁铁，在环形气隙中就会形成一个磁场。成一个磁场。通电导线中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越强，通电导线中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越强，霍尔元件输出的霍尔电压霍尔元件输出的霍尔电压UH就越高，根据霍尔电压的大小，就越高，根据霍尔电压的大小，就可以得到通电导线中电流的大小。该法具有较高的测量精就可以得到通电导

67、线中电流的大小。该法具有较高的测量精度。度。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第63页共页共157页页图图4.47贯串法的两种形式贯串法的两种形式（a）钳式；（钳式；（b）非闭合磁路式非闭合磁路式结结合合实实际际应应用用，还还可可把把导导磁磁铁铁心心做做成成如如图图4.47所所示示的钳式形状或非闭合磁路形状等。的钳式形状或非闭合磁路形状等。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第64页共页共157页页3）绕线法绕线法磁心绕线法是又一种测量方案，其磁心绕线法是又一种测量方案，其原理如图

68、原理如图4.48所示。它是用标准环形导所示。它是用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。把磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。把被测通电导线绕在导磁铁心上，据有关被测通电导线绕在导磁铁心上，据有关文献资料报道，若霍尔传感器选用文献资料报道，若霍尔传感器选用SL3501M，则每，则每1安安1匝在气隙处可产生匝在气隙处可产生0.0056T的磁感应强度。若测量范围是的磁感应强度。若测量范围是020A，则被测通电导线绕制，则被测通电导线绕制9匝，便匝，便可产生约可产生约00.1T的磁感应强度。此时，的磁感应强度。此时，SL3501M会产生约会产生约1.4V的电压输出。的电压输出。图图4.48绕线法绕线

69、法7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第65页共页共157页页6.霍尔开关按键霍尔开关按键霍霍尔尔开开关关按按键键是是由由霍霍尔尔元元件件装装配配键键体体而而成成的的开开关关电电键键。霍霍尔尔电电路路用用磁磁体体作作为为触触发发媒媒介介，当当磁磁体体接接近近霍霍尔尔电电路路时时，产产生生一一个个电电平平信信号号，霍霍尔尔按按键键就就是是依依靠靠改改变变磁磁体体的的相相对对位位置置来来触发电信号的。触发电信号的。霍霍尔尔开开关关是是一一个个无无触触点点的的按按键键开开关关。霍霍尔尔电电路路具具有有一一定定的的磁磁回回差差特特性性，在在按按下

70、下按按键键过过程程中中，即即使使手手指指有有所所抖抖动动，也也不不会会影影响响输输出出电电平平的的状状态态。按按键键的的输输出出电电平平由由集集成成元元件件的的输输出出级级提提供供，电电平平的的建建立立时时间间极极短短。因因此此霍霍尔尔按按键键是是一一个个无无触触点、无抖动、高可靠、长寿命的按键开关点、无抖动、高可靠、长寿命的按键开关。南京半导体器件总厂生产的南京半导体器件总厂生产的HKJ系列霍尔开关按键已有系列霍尔开关按键已有7种型号，每种型号内又各有种型号，每种型号内又各有6个品种，如直键、斜键、弹簧式个品种，如直键、斜键、弹簧式发光键、插片式发光键及带控制端的按键等。发光键、插片式发光键

71、及带控制端的按键等。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第66页共页共157页页广广泛泛用用于于计计算算机机的的各各种种输输入入键键盘盘，各各种种控控制制设设备备中中的的控控制制键键盘盘，各各种种面面板板上上的的按按键键开开关关，手手动动脉脉冲冲发发生生器器等等。其其技技术术性性能能指指标标为为：电电键键按按力力50g、120g、300g；按按键键全全行行程程50.5mm；导导通通行行程程30.5mm；输输出出脉脉冲冲边边沿沿宽宽度度50ns；寿寿命命107次次；使使用用环环境境温温度度-2055。这种无触点开关还可以进一步开发。现在这种

72、无触点开关还可以进一步开发。现在最有希最有希望的应用领域是无触点开关的霍尔电机望的应用领域是无触点开关的霍尔电机，由于使用了，由于使用了无触点开关，因而可以作出无触点开关，因而可以作出无刷直流电动机无刷直流电动机。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第67页共页共157页页由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。可使传

73、感器方便地与各种逻辑电路接口。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H7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第68页共页共157页页3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路（a）外型）外型霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路1237/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第69页共页共157页页2 2霍耳开关集成传感器的工作特

74、性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从从工工作作特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，工工作作特特性性有有一一定定的的磁磁滞滞BH，这这对对开开关关动动作作的的可可靠靠性性非非常常有有利利。图图中中的的BOP为为工工作作点点“开开”的的磁感应强度，磁感应强度，BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。 霍耳开关集成传感器的技术参数：霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压工作电压、磁感应强、磁感应强度、输出截止电压、度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。输出导通电流、工作温度、工作点。B霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V1

75、2ONOFFBRPBOPBH0 该曲线反映了外加磁场与传该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于感强度高于BOP时，输出电平由高时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于加磁感强度低于BRP时，输出电平时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。由低变高，传感器处于关状态。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第70页共页共157页页7.霍尔集成传感器的应用霍尔集成传感器的应用1）用霍尔集成传感器控制用霍尔集成传感器控制LED的亮、灭的亮、灭用用霍霍尔

76、尔集集成成传传感感器器控控制制LED亮亮、灭灭的的电电路路如如图图4.49所所示示。霍霍尔尔集集成成传传感感器器采采用用PST-525，其其输输出出可可视视情情况况接接入入一一个个1k的的限限流流电电阻阻，再再去去控控制制发发光光二二极极管管LED的的亮亮、灭灭。电电路路中中，由由于于霍霍尔尔集集成成传传感感器器采采用用NPN集集电电极极开开路路输输出出形形式式，所所以以LED阳阳极极接接到到电电源源正正端端。要要增增大大LED的的亮亮度度，可可以以减减小小限限流流电电阻阻增增大大IF，但但受受霍霍尔尔集集成成传传感感器器的的额额定定电电流流（十十几几mA）的的限限制制。为为此此当需要大电流时

77、，可接入驱动晶体管。当需要大电流时，可接入驱动晶体管。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第71页共页共157页页图图4.49LED亮、灭控制电路亮、灭控制电路限流电阻限流电阻由于霍尔集成传由于霍尔集成传感器采用感器采用NPN集集电极开路输出形电极开路输出形式，所以式，所以LED阳阳极接到电源正端极接到电源正端7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第72页共页共157页页2）用用霍霍尔尔集集成成传传感感器器控控制制电机的通断电机的通断用霍尔集成传感器控制用霍尔集成传感器控制电机的通断电

78、路如图电机的通断电路如图4.50所所示。霍尔集成传感器采用示。霍尔集成传感器采用PST-525。为了增大驱动功。为了增大驱动功率，电路中接入率，电路中接入PNP型功率型功率晶体管晶体管V1。该电路可以直。该电路可以直接驱动接驱动1A左右的电流负载。左右的电流负载。此例为驱动直流电动机，此例为驱动直流电动机，也可以接螺线管、灯泡等也可以接螺线管、灯泡等负载。负载。图图4.50电机通断控制电路电机通断控制电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第73页共页共157页页3）用霍尔集成传感器进行转数检测用霍尔集成传感器进行转数检测用霍尔集成传感器

79、检测磁转子转数的电路如图用霍尔集成传感器检测磁转子转数的电路如图4.51所示。电路中霍尔集成传感器采用了所示。电路中霍尔集成传感器采用了UGN3040，输出，输出端接入一小功率端接入一小功率PNP晶体管晶体管V。V的输出端的输出端B的信号极的信号极性与性与UGN3040输出端输出端A的相反，因此，该电路可以获的相反，因此，该电路可以获得相位相反的两种信号得相位相反的两种信号A与与B。图图4.51转数检测电路转数检测电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第74页共页共157页页4）用霍尔集成传感器进行无触点照明控制用霍尔集成传感器进行无触

80、点照明控制用用霍霍尔尔集集成成传传感感器器构构成成的的无无触触点点照照明明控控制制电电路路如如图图4.52所所示示。带带有有磁磁钢钢的的机机械械臂臂或或设设备备接接近近霍霍尔尔集集成成传传感感器器时时，系系统统将将以以无无触触点点的的方方式式控控制制灯灯的的亮亮、灭灭。由由图图4.52可可见见，电电路路中中霍霍尔尔集集成成传传感感器器的的输输出出端端接接有有光光电电固固态态继继电电器器SF5D-M1，用用以以带带动动交交流流100V的的照照明明装装置置的的通通断断。另另外外，SF5D-M1还还起起到到高高低低压压之之间间的的电电气气隔隔离离作作用用。该该电电路路也也可可以以控控制制100V交交

81、流流感感应应电电机机或或其其它它设设备备的的通通断断。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第75页共页共157页页图图4.52无触点照明控制电路无触点照明控制电路固态继电器固态继电器固态继电器固态继电器带有磁钢的机械臂带有磁钢的机械臂或设备接近霍尔集或设备接近霍尔集成传感器时，系统成传感器时，系统将以无触点的方式将以无触点的方式控制灯的亮、灭。控制灯的亮、灭。光电固态固态继电器，用以带光电固态固态继电器，用以带动交流动交流100V的照明装置的通断。的照明装置的通断。另外，另外，SF5D-M1还起到高低压还起到高低压之间的电气隔离作用。该电

82、路之间的电气隔离作用。该电路也可以控制也可以控制100V交流感应电机交流感应电机或其它设备的通断或其它设备的通断7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第76页共页共157页页（6）霍尔计数装置霍尔计数装置霍霍尔尔开开关关传传感感器器SL3501具具有有较较高高灵灵敏敏度度的的集集成成霍霍尔尔元元件件，能能感感受受到到很很小小的的磁磁场场变变化化，因因而而可可对对黑黑色色金金属属零零件件进行计数检测进行计数检测。霍尔计数装置的工作示意图霍尔计数装置的工作示意图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第

83、4章第章第77页共页共157页页图图7-17是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当当钢球运动到磁场时被磁化，运动到钢球运动到磁场时被磁化，运动到SL3051时输出峰值电压，时输出峰值电压，经经IC放大后，驱动放大后，驱动V输出低；走过后输出低；走过后V输出高；即每过一输出高；即每过一个钢球产生一个负脉冲，可计数和显示。个钢球产生一个负脉冲，可计数和显示。图图7-17霍尔计数装置的电路图霍尔计数装置的电路图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第78页共页共157页页4.3 磁阻元件磁阻元件 磁磁阻阻元

84、元件件是是一一种种电电阻阻随随磁磁场场变变化化而而变变化化的的元元件件，也也称称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。元件。它的理论基础为磁阻效应。 磁阻效应磁阻效应 若若给给通通以以电电流流的的金金属属或或半半导导体体材材料料的的薄薄片片加加以以外外磁磁场场，则则其电阻值就增加。此种现象为磁致电阻效应，简称为磁阻效应。其电阻值就增加。此种现象为磁致电阻效应，简称为磁阻效应。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第79页共页共157页页式中：式中：B磁感应强度；磁感应强度；电子迁移率；电子迁移率；0零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率；B磁感应强

85、度为磁感应强度为B时的电阻率。时的电阻率。 当当温温度度恒恒定定时时，在在弱弱磁磁场场范范围围内内，磁磁阻阻与与磁磁感感应应强强度度B的的平平方方成成正正比比。对对于于只只有有电电子子参参与与导导电电的的最最简简单单的的情情况况，理理论论推推出磁阻效应的表达式为：出磁阻效应的表达式为： 在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子子 ( (电子和空穴电子和空穴 ) )的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的

86、一种载流子引起电阻率变化一种载流子引起电阻率变化 . .7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第80页共页共157页页则电阻率的相对变化为：则电阻率的相对变化为：由上式可见，由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb（锑化铟）（锑化铟）和和InAs（砷化铟）（砷化铟）等半导体的载流子迁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。移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。设电阻率的变化为设电阻率的变化为:7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传

87、感器第第4章第章第81页共页共157页页 磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为形状、尺寸有关的磁阻效应称为几何磁阻效应几何磁阻效应。磁敏电阻大。磁敏电阻大多采用圆盘结构。多采用圆盘结构。 长方形磁阻器件只有在长方形磁阻器件只有在lblb的条件下，才表现出较高的灵的条件下，才表现出较高的灵敏度。敏度。 把把lblb的长方形磁阻材料上面制的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势势. .7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感

88、器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第82页共页共157页页图图4.15长方形和高灵敏度元件长方形和高灵敏度元件图图4.16在电场和磁场互相在电场和磁场互相垂直的固体中电子的运动垂直的固体中电子的运动7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第83页共页共157页页4.3.2科尔宾元件（科尔宾元件（是最大磁阻效应的磁阻）是最大磁阻效应的磁阻）科科尔尔宾宾（Corbino）元元件件的的结结构构如如图图4.17所所示示。在在圆圆盘盘形形元元件件的的外外圆圆周周边边和和中中心心处处，装装上上电电流流电电极极，将将具有这种结构的磁阻元件

89、称为具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件科尔宾元件。图图4.17科尔宾元件科尔宾元件7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第84页共页共157页页科科尔尔宾宾元元件件的的盘盘中中心心部部分分有有一一个个圆圆形形电电极极，盘盘的的外外沿沿是是一一个个环环形形电电极极。两两个个极极间间构构成成一一个个电电阻阻器器，电电流流在在两两个个电电极极间间流流动动时时，载载流流子子的的运运动动路路径径会会因因磁磁场场作作用用而而发发生生弯弯曲曲使使电电阻阻增增大大。在在电电流流的的横横向向，电电阻阻是是无无“头头”无无“尾尾”的的，因因此此霍霍尔尔电电势

90、势无无法法建建立立，有有效效地地消消除除了了霍霍尔尔电电场场的的短短路路影影响响。由由于于不不存存在在霍霍尔尔电电场场，电阻会随磁场有很大的变化。电阻会随磁场有很大的变化。霍尔电势被全部短路而不在外部出现霍尔电势被全部短路而不在外部出现，电场呈放，电场呈放射形，射形，电流电流在半径方向形成在半径方向形成涡旋形流动涡旋形流动。这是可以。这是可以获获得得最大磁阻效应最大磁阻效应的一种的一种形状形状。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第85页共页共157页页结构：结构：结构：结构：中心圆形电极中心圆形电极中心圆形电极中心圆形电极外沿环形电极外

91、沿环形电极外沿环形电极外沿环形电极构成一个电阻器构成一个电阻器构成一个电阻器构成一个电阻器原理：原理：原理：原理：无磁场时，载流子的运动无磁场时，载流子的运动无磁场时，载流子的运动无磁场时，载流子的运动路径是沿径向的路径是沿径向的路径是沿径向的路径是沿径向的有磁场时，两极间电流会发生有磁场时，两极间电流会发生有磁场时，两极间电流会发生有磁场时，两极间电流会发生弯曲使电阻变大。弯曲使电阻变大。弯曲使电阻变大。弯曲使电阻变大。 圆盘形的磁阻最大。圆盘形的磁阻最大。圆盘形的磁阻最大。圆盘形的磁阻最大。 大多做成圆盘结构。大多做成圆盘结构。大多做成圆盘结构。大多做成圆盘结构。7/20/2024传感器刘

92、笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第86页共页共157页页1 1 灵敏度特性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，即磁场变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用电阻特性的斜率。常用K表示，表示，在运算时常用在运算时常用RB/R0求得，求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，件的电阻值，RB为在施加为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现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出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大

93、于2.7。（二）（二） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第87页共页共157页页2 2 磁场磁场电阻特性电阻特性磁阻元件磁阻元件磁场磁场电阻特性电阻特性R/1000500N级0.30.20.100.10.2 0.3S级(a) S、N级之间电阻特性B/T15RBR0105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，

94、而超过0.1T后呈现线性变化7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第88页共页共157页页3 3 电阻电阻温度特性温度特性下图是一般半导体磁阻元件的电阻下图是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。图中的电阻值在中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了的变化范围内减小了1/2。因此在应用时，一般都要设计温度。因此在应用时，一般都要设计温度补偿电路。补偿电路。10384210242106-4002060100温度/电阻变化率%半导体元件电阻半导

95、体元件电阻-温度特性曲线温度特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第89页共页共157页页（三）磁敏电阻的应用（三）磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为磁敏电阻可以用来作为电流传感器电流传感器、磁敏接近磁敏接近开关开关、角速度角速度/角位移传感器角位移传感器、磁场传感器磁场传感器等。可等。可用于开关电源、用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、业自动化、智能机器人、电梯、智能

96、住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第90页共页共157页页7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第91页共页共157页页磁敏二极管是电特性随外部磁场改变而显著变化磁敏二极管是电特性随外部磁场改变而显著变化的器件。它是

97、继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的的器件。它是继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的一种新型半导体磁敏元件。一种新型半导体磁敏元件。磁敏二极管是一种电阻随磁场的大小和方向均改磁敏二极管是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型变的结型二端器件二端器件。4.4磁敏二极管磁敏二极管7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第92页共页共157页页4.4.1磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构磁敏二极管是利用磁敏二极管是利用磁阻效应磁阻效应进行进行磁电转换磁电转换的。的。磁磁敏敏二二极极管管属属于于长长基基区区二二极极管管，是是p+-i-n+型型，其其结结构构

98、如如图图4.24所所示示。其其中中i为为本本征征（完完全全纯纯净净的的、结结构构完完整整的的半半导导体体晶晶体体）或或接接近近本本征征的的半半导导体体，其其长长为为L，它它比比载载流流子子扩扩散散长长度度大大数数倍倍，其其两两端端分分别别为为高高掺掺杂杂的的区区域域p+、n+；如如果果本本征征半半导体是弱导体是弱N型的则为型的则为p+-v-n+型，如是弱型，如是弱P型的则为型的则为p+-n+型。型。在在v或或区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的高复合区高复合区称称r区区，与，与r区相对的另一侧面保持光滑，为低（或无）复合区相对的另一侧面保持光滑，为低（或无）复合

99、面。面。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第93页共页共157页页图图4.24锗磁敏二极管结构及电路符号锗磁敏二极管结构及电路符号7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第94页共页共157页页4.4.2磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理对对 普普 通通 二二 极极 管管 ， 在在 加加 上上 正正 向向 偏偏 置置 电电 压压 U+时时 ，U+=Ui+Up+Un。式式中中Ui为为i区区压压降降，Up、Un分分别别为为pi+、in+结结的的压压降降。若若无无外外界界磁磁场场影影响

100、响，在在外外电电场场的的作作用用下下，大大部部分分空空穴穴由由p+区区向向i区区注注入入，而而电电子子则则由由n+区区向向i区区注注入入，这这就就是是人人们们所所说说的的双双注注入入长长基基区区二二极极管管，其其注注入入i区区的的空空穴穴和和电电子子数数基基本本是是相相等等的的。由由于于运运动动的的空空间间“很很大大”，除除少少数数载载流流子子在在体体内内复复合合掉掉之之外外，大大多多数数分分别别到到达达n+和和p+区区，形形成成电电流流，总总电电流流为为I=Ip+In。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第95页共页共157页页磁敏二极

101、管受到磁敏二极管受到正向磁场作用正向磁场作用时，电子和空穴受时，电子和空穴受洛洛伦兹力伦兹力作用向作用向r区区偏转偏转，如图，如图4.25所示。由于所示。由于r区是高复区是高复合区，所以进入合区，所以进入r区的电子和空穴很快被复合掉，因而区的电子和空穴很快被复合掉，因而i区的区的载流子密度减少载流子密度减少，电阻增加，电阻增加，则则Ui增加增加，在两个结，在两个结上的电压上的电压Up、Un则相应减少则相应减少。i区电阻进一步增加区电阻进一步增加，直到，直到稳定在某一值上为止。稳定在某一值上为止。图图4.25磁敏二极管载流子受磁场影响情况磁敏二极管载流子受磁场影响情况7/20/2024传感器刘笃

102、仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第96页共页共157页页相反，磁场改变方向，电子和空穴将向相反，磁场改变方向，电子和空穴将向r区的对面区的对面低（无）复合区流动，则使载流子在低（无）复合区流动，则使载流子在i区的复合减小，再加区的复合减小，再加上载流子继续注入上载流子继续注入i区，使区，使i区中区中载流子密度载流子密度增加，增加，电阻减小，电阻减小，电流增大电流增大。同样过程进行正反馈，使注入载流子数增加，。同样过程进行正反馈，使注入载流子数增加，Ui减少，减少，Up、Un增加增加，电流增大，直至达到某一稳定值为止。，电流增大，直至达到某一稳定值为止。7/20/

103、2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第97页共页共157页页2.磁敏二极管的工作原理演示磁敏二极管的工作原理演示利用磁敏二极管在磁场强度和方向的变化下，其利用磁敏二极管在磁场强度和方向的变化下，其利用磁敏二极管在磁场强度和方向的变化下，其利用磁敏二极管在磁场强度和方向的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。电流发生变化，于是就实现磁电转换。电流发生变化，于是就实现磁电转换。电流发生变化，于是就实现磁电转换。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第98页共页共157页页4.4.3磁敏二极管的

104、特性磁敏二极管的特性1.电流电流-电压特性电压特性图图4.26示示出出了了Ge磁磁敏敏二二极极管管的的电电流流-电电压压特特性性曲曲线线。图图中中B=0的的曲曲线线表表示示二二极极管管不不加加磁磁场场时时的的情情况况，B取取+或或B取取-表示磁场的方向不同。表示磁场的方向不同。图图4.26Ge磁敏二极管的伏安特性曲线磁敏二极管的伏安特性曲线输出电压一定输出电压一定，磁场为正，磁场为正时，随着磁场强度增加，电流减时，随着磁场强度增加，电流减小，表示磁阻增加，磁场为负时，小，表示磁阻增加，磁场为负时，随着磁场强度向负方向增加，电随着磁场强度向负方向增加，电流增加，表示磁阻减小。流增加，表示磁阻减小

105、。从图中可以看出：从图中可以看出：同一磁场之下同一磁场之下，电压越大，输出电流变化量也越大。，电压越大，输出电流变化量也越大。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第99页共页共157页页Si磁磁敏敏二二极极管管的的电电流流-电电压压特特性性曲曲线线如如图图4.27所所示示。值值得得注注意意的的是是，在在图图4.27（b）中中出出现现了了“负负阻阻”现现象象，即即电电流流急急剧剧增增加加的的同同时时，偏偏压压突突然然跌跌落落；其其原原因因是是高高阻阻i区区热热平平衡衡载载流流子子少少，注注入入i区区的的载载流流子子在在未未填填满满复复合合中

106、中心心前前不不会会产产生生较较大大电电流流。只只有有当当填填满满复复合合中中心心后后电电流流才开始增加，同时才开始增加，同时i区压降减少，表现为负阻特性。区压降减少，表现为负阻特性。图图4.27Si磁敏二极管的伏安特性曲线磁敏二极管的伏安特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第100页共页共157页页2.磁电特性磁电特性在在给给定定条条件件下下，把把磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变化化量量与与外加磁场外加磁场的关系叫做磁敏二极管的磁电特性。的关系叫做磁敏二极管的磁电特性。图图4.28给出了磁敏二极管的磁电特性曲线。给出了

107、磁敏二极管的磁电特性曲线。常有常有常有常有单只使用和互补使用单只使用和互补使用单只使用和互补使用单只使用和互补使用两种方式。两种方式。两种方式。两种方式。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件图图4.28磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线单个使用单个使用时，正向磁时，正向磁灵敏度大于反向磁灵灵敏度大于反向磁灵敏度。敏度。B B /0.1T/0.1T2.02.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.0 U U/V/V7/20/2

108、024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件互补使用时，互补使用时，正向特性与反向特性曲线基本对正向特性与反向特性曲线基本对称。磁场强度增加时，曲线有饱和趋势；在弱磁场称。磁场强度增加时，曲线有饱和趋势；在弱磁场下，曲线有很好的线性。下，曲线有很好的线性。B B /0.1T/0.1T2.02.0-1.0-1.0-2.0-2.00.40.40.80.81.21.21.61.62.02.0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.01.01.0 U U/V/V7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第103页共页共1

109、57页页3.温度特性温度特性温温度度特特性性是是指指在在标标准准测测试试条条件件下下，输输出出电电压压变变化化量量U随随温温度度变变化化的的规规律律，如如图图4.29所所示示。从从图图中中可可以以看看出出，元元件件受受温度影响较大。温度影响较大。图图4.29磁敏二极管（单个使用）的温度特性曲线磁敏二极管（单个使用）的温度特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第104页共页共157页页反映温度特性的好环，可用反映温度特性的好环，可用U0和和U温度系数来表温度系数来表示。其参数大小如表示。其参数大小如表4.2所示。所示。表表4.2Ge、

110、Si磁敏二极管的磁敏二极管的U0及及U温度系数温度系数7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第105页共页共157页页4.磁灵敏度磁灵敏度磁磁敏敏二二极极管管的的磁磁灵灵敏敏度度有有三三种种定定义义方法方法:（1）在在恒恒流流条条件件下下，偏偏压压随随磁磁场场变变化化，电压相对磁灵敏度电压相对磁灵敏度SU为：为：式式中中：U0是是磁磁场场强强度度为为零零时时，磁磁敏敏二二极极管管两两端端的的电电压压；UB是是磁磁场场强强度度为为B时时，磁磁敏敏二二极极管管两两端端的的电电压压。SU的的测测量量电路如图电路如图4.30所示。所示。图图4.30

111、电压相对磁灵敏度测量电路电压相对磁灵敏度测量电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第106页共页共157页页式式中中：I0是是给给定定偏偏压压下下，磁磁场场为为零零时时，通通过过磁磁敏敏二二极极管管的的电电流流；IB是是给给定定偏偏压压下下，磁磁场场为为B时时，通通过过磁磁敏敏二二极极管管的的电电流流。SI的的测测量量电电路路如如图图4.31所示。所示。（2）在在恒压条件恒压条件下，偏流随磁场变化，电流相对磁灵下，偏流随磁场变化，电流相对磁灵敏度敏度SI为：为：图图4.31电流相对磁灵敏度测量电路电流相对磁灵敏度测量电路7/20/202

112、4传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第107页共页共157页页式式中中：U0、I0是是磁磁场场为为零零时时，磁磁敏敏二二极极管管两两端端的的电电压压和和流流过过的的电电流流；UB、IB是是磁磁场场为为B时时，磁磁敏敏二二极极管管两两端端的的电电压压和和通通过的电流。过的电流。 （3）按按照照标标准准测测试试，在在给给定定电电源源E和和负负载载电电阻阻R的的条条件件下下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度被定义为：电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度被定义为：图图4.32标准测试方法电路原理图标准测试方法电路原理图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优

113、秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第108页共页共157页页4.4.4磁敏二极管的补偿技术磁敏二极管的补偿技术1.互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路互互补补式式温温度度补补偿偿电电路路如如图图4.33(a)所示。所示。使使用用该该电电路路时时，应应选选用用特特性性相相近近的的两两只只管管子子，按按相相反反磁磁极极性性组组合合，即即管管子子磁磁敏敏感感面面相相对对或或相相背背重重叠叠放放置置，或或选选用用磁磁敏敏对对管管，将将两两只只管管子子串串接接在在电路上。电路上。图图4.33温度补偿电路温度补偿电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传

114、感器第第4章第章第109页共页共157页页图图4.33温度补偿电路温度补偿电路2.热敏电阻温度补偿电路热敏电阻温度补偿电路热敏电阻温度补偿电路如图热敏电阻温度补偿电路如图4.33(b)所示。所示。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第110页共页共157页页4.5磁敏三极管磁敏三极管分类：分类：分类：分类：有有有有:n-p-n:n-p-n型和型和型和型和p-n-pp-n-p型磁敏三极管，型磁敏三极管，型磁敏三极管，型磁敏三极管，按材料按材料按材料按材料又可分为：又可分为：又可分为：又可分为：GeGe板条式板条式板条式板条式SiSi平面式磁

115、敏三极管平面式磁敏三极管平面式磁敏三极管平面式磁敏三极管7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第111页共页共157页页4.5.1磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构1.Ge磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构Ge磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构及及电电路路符符号号如如图图4.34所所示示。它它是是在在弱弱P型型准准本本征征半半导导体体上上用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成三三个个极极。有有发发射射极极e、基基极极b、集集电电极极c。相相当当于于在在磁磁敏敏二二极极管管长长基基区的一个侧面制成一个高复合区区的一个侧面制成一个高复合区r。图图4

116、.34NPN型型Ge磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构和和电电路路符符号号7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第112页共页共157页页2.Si磁敏三极管磁敏三极管Si磁磁敏敏三三极极管管是是用用平平面面工工艺艺制制造造的的，其其结结构构如如图图4.35所所示示。它它一一般般采采用用N型型材材料料，通通过过二二次次硼硼扩扩散散工工艺艺，分分别别形形成成发发射射区区和和集集电电区区，然然后后扩扩磷磷形形成成基基区区而而制制成成PNP型型磁磁敏三极管敏三极管。由于工艺上的原因，很少制造。由于工艺上的原因，很少制造NPN型磁敏三极管。型磁敏三极管

117、。图图4.35Si磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第113页共页共157页页4.5.2磁磁敏敏三三极极管管的的工工作作原原理理如如图图4.36（a）所所示示，当当不不受受磁磁场场作作用用时时，由由于于磁磁敏敏三三极极管管基基区区宽宽度度大大于于载载流流子子有有效效扩扩散散长长度度，因因此此发发射射区区注注入入载载流流子子除除少少部部分分输输入入到到集集电电极极c外外，大大部部分分通通过过e-i-b，形形成成基基极极电电流流。由由此此可可见见，基基极极电电流流大大于于集集电电极极电电流流，所所以以电电流流

118、放放大大倍倍数数=IcIb1。图图4.36磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第114页共页共157页页图图4.36磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图如图如图4.36(b)所示，所示，当受到当受到H+磁场作用磁场作用时，由于受洛伦时，由于受洛伦兹力影响，载流子向发射区一侧偏转，从而使集电极兹力影响，载流子向发射区一侧偏转，从而使集电极电流电流Ic明显下降。明显下降。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第115页共页共157

119、页页图图4.36磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图当受到当受到H-磁场作用磁场作用时，如图时，如图4.36(c)所示，载流子受洛伦兹所示，载流子受洛伦兹力影响，向集电区一侧偏转，使集电极电流力影响，向集电区一侧偏转，使集电极电流Ic增大。增大。 7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第116页共页共157页页由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、以利用磁敏三极管来测量弱磁场

120、、电流、转速、位移等物理量。位移等物理量。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第117页共页共157页页4.5.3磁敏三极管的特性磁敏三极管的特性1.伏安特性伏安特性图图4.37示出了磁敏三极管的伏安特性曲线。图示出了磁敏三极管的伏安特性曲线。图4.37（a）为为无磁场作用无磁场作用时的伏安特性；时的伏安特性；图图4.37磁敏三极管的伏安特性曲线磁敏三极管的伏安特性曲线7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第118页共页共157页页图图4.37磁敏三极管的伏安特性曲线磁敏三极管的伏安特

121、性曲线图图4.37（b）为在恒流条件下，）为在恒流条件下，Ib=3mA，磁场为正、负，磁场为正、负1kGs时集电极电流时集电极电流Ic的变化情况。的变化情况。 7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第119页共页共157页页NPN型型Ge磁敏三极管磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）的磁敏三极管）的磁电特性曲线如图磁电特性曲线如图4.38所所示。从图中可见，在示。从图中可见，在弱磁弱磁场场情况下，情况下，3BCM磁敏三磁敏三极管的磁电特性极管的磁电特性接近线性接近线性变化变化。图图4.383BCM磁敏三极管的磁电特性磁敏三极管的磁电特性可利用这

122、一线性关系测量磁场。可利用这一线性关系测量磁场。可利用这一线性关系测量磁场。可利用这一线性关系测量磁场。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第120页共页共157页页图图4.393BCM磁敏三极管的温度特性磁敏三极管的温度特性3.温度特性温度特性3BCM磁敏三极管的温度特性曲线如图磁敏三极管的温度特性曲线如图4.39所示。图所示。图4.39（a）为）为基极恒压基极恒压时的温度特性曲线，图时的温度特性曲线，图4.39(b)为为基极基极恒流恒流时的温度特性曲线。时的温度特性曲线。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏

123、传感器磁敏传感器第第4章第章第121页共页共157页页4.5.4温度补偿技术温度补偿技术同同磁磁敏敏二二极极管管一一样样，磁磁敏敏三三极极管管的的温温度度依依赖赖性性也也较较大大。若若使使用用Si磁磁敏敏三三极极管管，注注意意到到其其集集电电极极电电流流具具有有负负温温度度系系数的特点数的特点，可采用以下几种方法进行温度补偿。，可采用以下几种方法进行温度补偿。1.利用正温度系数普通硅三极管进行补偿利用正温度系数普通硅三极管进行补偿图图4.40温度补偿电路温度补偿电路具体补偿电路如图所示。具体补偿电路如图所示。当温度升高时，当温度升高时，V1管集管集电极电流电极电流IC增加导致增加导致Vm管的集

124、电极电流也增管的集电极电流也增加，从而补偿了加，从而补偿了Vm管因管因温度升高而导致温度升高而导致IC的下降。的下降。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第122页共页共157页页2.利用磁敏三极管互补电路利用磁敏三极管互补电路由由PNP和和NPN型型磁磁敏敏三三极极管管组组成成的的互互补补式式补补偿偿电电路路如如图图4.40(b)所所示示。如如果果图图中中两两种种磁磁敏敏三三极极管管集集电电极极温温度度特特性性完完全全一样，则互补电路的输出电压不随温度发生漂移。一样，则互补电路的输出电压不随温度发生漂移。图图4.40温度补偿电路温度补偿

125、电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第123页共页共157页页3.采用磁敏二极管补偿电路采用磁敏二极管补偿电路由由于于Ge磁磁敏敏二二极极管管的的电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加，利利用用这这一一特特性性可可将将其其作作为为Ge磁磁敏敏三三极极管管负负载载以以补补偿偿输输出出电压的漂移，如图电压的漂移，如图4.40(c)所示。所示。图图4.40温度补偿电路温度补偿电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第124页共页共157页页4.采用差分补偿电路采用差分补偿电路用两只磁

126、、电等特性一致，而磁场特性相反的磁用两只磁、电等特性一致，而磁场特性相反的磁敏三极管组成差分补偿电路。这种补偿方法可提高磁敏三极管组成差分补偿电路。这种补偿方法可提高磁灵敏度。其电路如图灵敏度。其电路如图4.40(d)所示。所示。图图4.40温度补偿电路温度补偿电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第125页共页共157页页1.磁敏电阻的基本应用电路磁敏电阻的基本应用电路磁磁敏敏电电阻阻的的基基本本应应用用电电路路如如图图4.56所所示示。图图4.56(a)为为单单个个磁磁敏敏电电阻阻应应用用时时的的接接法法，磁磁敏敏电电阻阻RM与与电

127、电阻阻RP串串联联再再接接到到电电源源Eb上上。电电阻阻RP是是用用来来取取出出变变化化的的磁磁阻阻信信号号的的。流流经经RM的的电电流流IM经经过过电电阻阻RP变变为为电电压压。由图可知：由图可知：图图4.56磁敏电阻基本应用电路磁敏电阻基本应用电路4.6.2磁阻元件的应用磁阻元件的应用7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第126页共页共157页页图图4.56(b)是两个磁敏电阻是两个磁敏电阻RM1和和RM2串联连接的电路结构，从串串联连接的电路结构，从串联磁敏电阻的中点得到输出信号。联磁敏电阻的中点得到输出信号。这种接法虽多用了一个磁

128、敏电阻，这种接法虽多用了一个磁敏电阻，但具有一定的温度补偿作用，因但具有一定的温度补偿作用，因此广泛应用于与机电有关的机构此广泛应用于与机电有关的机构中或作为非接触式磁性分压器。中或作为非接触式磁性分压器。图图4.56磁敏电阻基本应用电路磁敏电阻基本应用电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第127页共页共157页页2.用磁敏电阻监视交流电流用磁敏电阻监视交流电流用用半半导导体体磁磁阻阻元元件件可可进进行行非非接接触触的的交交流流电电流流测测量量和和监监视视。磁磁阻阻元元件件使使用用三三洋洋电电机机生生产产的的MS-F06。如如图图4.

129、57所所示示，只只要要将将MS-F06靠靠近近被被测测电电线就可得到输出电压。线就可得到输出电压。图图4.57用用MS-F06测量交流电流测量交流电流7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第128页共页共157页页图图4.58所所示示是是MS-F06的的温温度度特特性性，图图4.59是是MS-F06到到被被测测电电线线的的距距离离与与输输出出电电压压的的关关系系。紧紧靠靠在在0.1mm的的铜铜线线上上会会有有0.27mV（有有效效值值）的的输输出出电电压压，而而对对交交流流软软线线上的测量结果要小上的测量结果要小12110。图图4.58MS

130、-F06的温度特性的温度特性图图4.59MS-F06的间隔特性的间隔特性7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第129页共页共157页页非非接接触触电电流流监监控控电电路路如如图图4.60所所示示。MS-F06在在工工作作电电压压为为5V，使使用用0.1mm的的线线中中流流过过50Hz、0.1A(有有效效值值)的的电电流流产产生生磁磁通通的的情情况况下下，若若有有0.27mV（有有效效值值）的的输输出出电电压，则被测电流为压，则被测电流为20A时传感器的输出电压时传感器的输出电压U为：为：7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第

131、第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第130页共页共157页页图图4.60非接触电流监控电路非接触电流监控电路测量时，传感器靠近被测的交流电源线测量时，传感器靠近被测的交流电源线半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻MS-F06，放大器，放大器A1，输出与其电流大小成比例的电压。输出与其电流大小成比例的电压。可可接万用表接万用表2V/20A交流档。交流档。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第131页共页共157页页图图4.61非接触电流监控器的电流特性非接触电流监控器的电流特性7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传

132、感器磁敏传感器第第4章第章第132页共页共157页页3.用磁敏电阻读磁卡用磁敏电阻读磁卡一些磁阻元件本身带有永久磁铁。如一些磁阻元件本身带有永久磁铁。如MS-F06中装有永久中装有永久磁铁，被测物即使不是强磁物体也可以被检测出来。磁卡读磁铁，被测物即使不是强磁物体也可以被检测出来。磁卡读出器判别装置就是一个具有代表性的应用实例，其测量电路出器判别装置就是一个具有代表性的应用实例，其测量电路如图如图4.62所示。图所示。图4.63是传感器扫描磁卡（电话卡）表面时的是传感器扫描磁卡（电话卡）表面时的波形图。波形图。图图4.63磁卡（电话卡）的磁波磁卡（电话卡）的磁波7/20/2024传感器刘笃仁版

133、磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第133页共页共157页页图图4.62磁卡读出器测量电路磁卡读出器测量电路7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第134页共页共157页页4.磁阻式位移传感器磁阻式位移传感器磁磁阻阻式式位位移移传传感感器器的的工工作作原原理理如如图图4.66所所示示。磁磁敏敏电电阻阻与与被被测测物物体体连连接接在在一一起起，当当待待测测物物体体移移动动时时，将将带带动动磁磁敏敏电电阻阻在在磁磁场场中中移移动动。由由于于磁磁阻阻效效应应，磁磁敏敏电电阻阻的的阻阻值值将将发发生生变变化化。通通过过检检

134、测测磁磁敏敏电电阻阻阻阻值值的的变变化化，便可求得待测物体的位移大小。便可求得待测物体的位移大小。磁阻式位移传感器的优点磁阻式位移传感器的优点是：是：结构简单，体积小，结构简单，体积小，精度高，可实现非接触式测量。精度高，可实现非接触式测量。缺点缺点是：是：量程小，仅量程小，仅适用于适用于5mm以下位移量的测量以下位移量的测量。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第135页共页共157页页图图4.66磁阻式位移传感器工作原理图磁阻式位移传感器工作原理图7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章

135、第章第136页共页共157页页1待测物，待测物，2激励线圈，激励线圈，3铁芯，铁芯，4放大器，放大器，5磁敏二极管探头磁敏二极管探头磁敏二极管、三极管应用磁敏二极管、三极管应用7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件第第4章章磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第137页共页共157页页思考题与习题思考题与习题1.什什么么是是霍霍尔尔效效应应？什什么么是是磁磁阻阻效效应应？什什么么是是形形状状效效应应？2.简述磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理。简述磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理。3.试试设设计计一一种种非非接接触触电电流流监监视视系系统统，监监视视8个个用用户户的的用用电电情况。要求画出方案方框图、电原理图，并给出简要说明。情况。要求画出方案方框图、电原理图，并给出简要说明。7/20/2024传感器刘笃仁版磁敏传感器优秀课件