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1、 一、霍耳磁敏传感器一、霍耳磁敏传感器 二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 三、磁敏电阻三、磁敏电阻 第七章第七章 磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器霍尔式课件一、霍耳磁敏传感器一、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。场的方向上将产生电动势的现象。+ +I+ + + + + + +lwd霍耳效应原理图VH磁敏传感器霍尔式课件（二）霍耳磁敏传感器工作原理（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
2、，它受到洛仑兹力e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磁敏传感器霍尔式课件霍耳电势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=nevnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率pP型半导体中的空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，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高但很高但很小。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。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。磁敏传感器霍尔式
3、课件设KH=RH / dKH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单位磁感应强度和单单位控制电流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：VHKHI BVHKH I B cos注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍耳电耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，时，霍耳电霍耳电势并不改变方向。势并不改变方向。磁敏传感器霍尔式课件霍耳器件片(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6
4、.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4（c）磁敏传感器霍尔式课件霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端霍耳端霍耳端霍耳端或输出端输出端输出端输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输输入电阻入电阻，或者控制内阻控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输输出电阻出电阻或霍耳侧内部电阻霍耳侧内部电阻。器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端电流端
5、、控制电流端控制电流端或输入电流端输入电流端。H图2.6-4霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。磁敏传感器霍尔式课件控制电流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。VHR3VBIEIH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
6、出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。磁敏传感器霍尔式课件上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输输入电流或输入电压入电压和和霍耳输出电势霍耳输出电势完全呈完全呈线性关系线性关系。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V，由于V=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行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式磁敏传感器霍尔式课件（四）、基本特性（四）、基本特性 1、直直线线性性：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。V VH H= =K KH
7、HBI BI 2、灵敏度、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,故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。磁敏传感器霍尔式课件KB磁场灵敏度磁场灵敏度，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，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。若控制电流值固定控制电流值固定，则：VHKBB若磁场值固定，则：VHKI I
8、磁敏传感器霍尔式课件3、额额定定电电流流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最最大大输输出出功功率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、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、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失去失去失去了线性关系线性关系。如图所示。磁敏传感器霍尔式课件8060402000
9、.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值VHR3I霍耳电势的负载特性=R3/R2霍耳电势随负载电阻值而改变的情况磁敏传感器霍尔式课件7、温温度度特特性性：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霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重
10、影响双重影响双重影响双重影响：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。磁敏传感器霍尔式课件8、频率特性、频率特性u磁磁场场恒恒定定，而而通通过过传传感感器器的的电电流流是是交交变变的的。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,其输出不受频率影响。u磁磁场场交交变变。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
11、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。磁敏传感器霍尔式课件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，并以开开关关信信号号形形式式输输出出。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、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。（五）（五） 霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器磁敏传感器霍尔式课件由稳压电路、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；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。1
12、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H磁敏传感器霍尔式课件 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123磁敏传感器霍尔式课件2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。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
13、作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳开关集成传感器的技术参数：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。0 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。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。磁敏传感器霍尔式课件3 3霍耳开关集成传感器的应用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RLVACVccVccVAC磁敏传感器霍尔式课件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
14、接口电路VACRL磁敏传感器霍尔式课件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件下，霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线NSAlNiCo磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔距离的增加,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,对作用距离作合适的选择。（2）给传感器施加磁场的方式磁敏传感器霍尔式课件 磁磁铁铁侧侧向向滑滑近近式式要求磁铁平面与传感器平
15、面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式在传感器前方通过。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/mm磁敏传感器霍尔式课件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。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
16、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磁敏传感器霍尔式课件SN磁铁磁力集中器传感器带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁感应强度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图 (a)加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例磁敏传感器霍尔式课件(b)推拉式两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。NSSN传感器图2.6-20推拉式激励磁场示意图图图2.6-21 推拉式推拉式L1-B关系曲线关系曲线距离距离L1/mmB/T0
17、.05-0.050-10-5051015-15注意：磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S极的激励作用。磁敏传感器霍尔式课件(c)双磁铁滑近式为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的S极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的N极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。传感器滑近SNNS图2.6-22双磁铁滑近式结构示意图磁敏传感器霍尔式课件(d)翼片遮挡式翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。图2.6-23翼片遮挡器的形状片状
18、筒状磁敏传感器霍尔式课件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(e)偏磁式在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的N极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。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 磁敏传感器霍尔式课件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，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁
19、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（六）霍耳线性集成传感器磁敏传感器霍尔式课件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
20、单端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。磁敏传感器霍尔式课件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：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磁敏传感器霍尔式
21、课件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：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00.28 0.32R=0R=15R=100 磁敏传感器霍尔式课件（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
22、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、无触点开关等。磁敏传感器霍尔式课件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。(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。磁敏传感器霍尔式课件测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAESNR图图2.6-24 霍耳
23、磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图磁敏传感器霍尔式课件磁方向图西90o东0o北南180o270o磁通集束器图中Li为集束器的总长度，La为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁通密度Ba比外部磁通密度B0约增强Li/La倍。图为均匀磁场中使用集束器(实线)和不使用磁集束器(用虚线表示)时的磁方向图ERVHB0LaBaLi磁通集束器原理图磁敏传感器霍尔式课件材料温度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070表表2.6-2 几种导体材料在低温下的性能几种导体材料在低温下的性能磁敏传感器霍尔式课件 二、磁敏二极管和磁敏三
24、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）；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。磁敏传感器霍尔式课件（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）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
25、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2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+iN+型。磁敏传感器霍尔式课件+（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。磁敏传感器霍尔式课件PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管的工
26、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电子孔穴复合区磁敏传感器霍尔式课件结结论论：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。磁敏传感器霍尔式课件
27、 2 2磁敏二极管的主要特征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-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.100.10.40.30.2-0.3（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磁敏传感器霍尔式课件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
28、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，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。磁敏传感器霍尔式课件（2）磁电特性在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。图2.6-30磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时B /0.1T1.0 2.0 3.0
29、-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B /0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.03kREE=12V（18V）Td=20（ a）（b）U/VU/V图2.6-30给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。磁敏传感器霍尔式课件（3）温度特性温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量（或无磁场作用时中点电压）随温度变化的规律，如图所示。U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB =0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I图2.6-31磁敏二极管温
30、度特性曲线(单个使用时)U磁敏传感器霍尔式课件由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下，u0的温度系数小于20mV，的温度系数小于0.6%/。而锗磁敏二极管u0的温度系数小于-60mV，的温度系数小于1.5%/。所以，规定硅管的使用温度为-4085，而锗管则现定为-4065。磁敏传感器霍尔式课件（4）频率特性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。硅管的响应时间小于1，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。dB0
31、.1-12-9-6-301010.01图2.6-32锗磁敏三极管频率特性f/kHz磁敏传感器霍尔式课件(2.6-26)(2.6-27)5 5）磁灵敏度）磁灵敏度 磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：（a） 在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（hu），即： u 0磁场强度为零时，二极管两端的电压； u B磁场强度为B时，二极管两端的电压。 (b)在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（hi），即： 磁敏传感器霍尔式课件(c)在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重
32、新测试其灵敏度。磁敏传感器霍尔式课件（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理（1）磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。i磁敏传感器霍尔式课件（2 2）磁敏三极管的工作原理）磁敏三极管的工作原理N+N+N+cccyyy
33、eeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12磁敏传感器霍尔式课件当不受磁场作用如图2.6-34(a)时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=IcIb1。当受到H磁场作用如图2.6-34（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当受磁场使用如图2.6-34(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向
34、集电结一侧偏转，使集电极电流增大。磁敏传感器霍尔式课件/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA图2.6-35磁敏三极管伏安特性曲线2 2磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性（1）伏安特性图2.6-35(b)给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（Ib=3mA）、磁场为0.1T时的集电极电流的变化；图2.6-35(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。磁敏传感器
35、霍尔式课件（2）磁电特性磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图2.6-36所示。B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图2.6-363BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。磁敏传感器霍尔式课件(3)温度特性磁敏三极管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三极管的温度系数为0.8；3CCM磁敏三极管的温度系数为-0.6。3BCM的温度特性曲线如图2.6-37所示。图2.6-373BCM磁敏三极管的温度特性(a)基极电源恒压(b)基极恒流(a)-20020401.20.80.41
36、.660B=0B=0.1TB=0.1TT/基极电源恒压Vb=5.7VIC/mA基极恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=0.1TB=0.1TT/(b)IC/mA磁敏传感器霍尔式课件温度系数有两种：一种是静态集电极电流Ic0的温度系数；一种是磁灵敏度的温度系数。在使用温度t1 t2范围Ic0的改变量与常温（比如25）时的Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为Ic0的温度系数 Ic0CT，即：同样，在使用温度t1t2范围内，的改变量与25时的值之比，平均每度的相对变化量被定义为的温度系数 ：(2.6-30)磁敏传感器霍尔式课件对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施
37、时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时）Ib0的大小决定。当Ib04mA时，此无灵敏度温度点处于+40左右。当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当Ib0=2mA时，此温度点可达50左右。但另一方面，若Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。磁敏传感器霍尔式课件（5）磁磁灵灵敏敏度度磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵
38、敏度和负向灵敏度两种。其定义如下：式中受正向磁场B+作用时的集电极电流；受反向磁场B-作用时的集电极电流；不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。（4）频率特性）频率特性3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。(2.6-32)磁敏传感器霍尔式课件（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具
39、有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。 此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。磁敏传感器霍尔式课件（四）、常用磁敏管的型号和参数（四）、常用磁敏管的型号和参数3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B=0.1T5101015 1520 202525击穿电压BUccoVIc=1.5mA202025252
40、5漏电流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW45使用温度-4065最高温度75mA磁敏传感器霍尔式课件3CCM型硅磁敏三极管参数表型硅磁敏三极管参数表参数单位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T5%击穿电压BUccoVIc=1020V漏电流Icc0Ice=6A5功耗mW20mW使用温度-4085最高温度100温度系数%/-0.10-0.25%/磁敏传感器霍尔式课件三、磁敏电阻三、磁敏电阻 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）（一） 磁阻效应磁阻效应若给通以电流的金
41、属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁敏传感器霍尔式课件在磁场中，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子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。磁敏传感器霍尔式课件当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切
42、相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW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），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图2.6-38（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁LWBB图2.6-38几何磁阻效应II（a（b阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。磁敏传感器霍尔式课件1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变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。
43、常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T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2.7。（二）（二） 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁敏传感器霍尔式课件2 磁场电阻特性磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S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，
44、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，而超过0.1T后呈现线性变化磁敏传感器霍尔式课件图2.6-40强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线输出电压V磁饱和点B=Bs0(b)磁场输出特性H磁敏传感器霍尔式课件图2.6-40显示的是强磁磁阻元件的磁场电阻特性曲线。从图中可以看出它与图2.6-39（a）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。磁敏传感器霍尔式课件3电阻温度特性图2.6-41是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件10384210242106-4002060100温度/电
45、阻变化率%图2.6-41半导体元件电阻-温度特性曲线的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。磁敏传感器霍尔式课件图2.6-42是强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。13010050电阻变化率%-30BX10-4/T电阻+3500ppm/0输出(恒流工作)-500ppm/输出(恒压工作)-300ppm/图2.6-42强磁阻元件电阻-磁场特性曲线可以看出，采用恒压供电时，可以获得500ppm/的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达3500ppm/。但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因此常用恒压方式。60磁敏传感器霍尔式课件（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电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、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、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、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、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。磁敏传感器霍尔式课件
