传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件

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1、 第七章第七章 磁电传感器磁电传感器第一节第一节 霍尔传感器霍尔传感器 一、霍尔效应一、霍尔效应 二、霍尔元件的基本特性二、霍尔元件的基本特性 三、测量电路三、测量电路 四、误差及其补偿四、误差及其补偿 五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 六、霍尔传感器的应用六、霍尔传感器的应用第二节第二节 磁敏电阻磁敏电阻 一、磁阻效应一、磁阻效应 二、磁敏电阻的基本特性二、磁敏电阻的基本特性 三、磁敏电阻的应用三、磁敏电阻的应用 第三节第三节 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 一、磁敏二极管一、磁敏二极管 二、磁敏三极管二、磁敏三极管 三、磁敏管的应用三、磁敏管的应用传感器原理与应用主编戴焯

2、磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 第七章第七章 磁电传感器磁电传感器 磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管及磁敏三极管。磁敏二极管及磁敏三极管。 第一节第一节 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔是美国的一位物理学家，他在霍

3、尔是美国的一位物理学家，他在18791879年首先在金属年首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效而没有得到应用，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 一、霍尔效应一、霍尔效应 如如图图7 71 1所所示示，在在( (金金属属

4、）半半导导体体薄薄片片上上垂垂直直施施加加磁磁场场B B，在在薄薄片片两两短短边边b b方方向向通通入入控控制制电电流流I I，则则在在薄薄片片两两长长边边L L方方向向产产生生电电动动势势，这这种种现现象象称称之之为为霍霍尔尔效效应应，该该电电动动势称为霍尔电压势称为霍尔电压U UH H ，该半导体薄片称为霍尔元件。，该半导体薄片称为霍尔元件。图71 霍尔效应原理图传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图图7 71 1中，中，v v 表示半导体中电子在控制电流表示半导体中电子在控制电流I I作用下作用下的运动方向和速度，的运动方向和速度，F FL L

5、表示电子受到磁场的洛伦兹力表示电子受到磁场的洛伦兹力 ，其大小为其大小为 式中式中q q 为电子的电荷量，为电子的电荷量， F FL L 方向符合左手掌定则方向符合左手掌定则, ,运动电子在洛伦兹力运动电子在洛伦兹力F FL L 的作用下，电子以抛物线形式向一的作用下，电子以抛物线形式向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力FE F FE E 表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力F FE E 与洛伦兹

6、与洛伦兹力力F FL L 相等时，电荷积累达到动态平衡。相等时，电荷积累达到动态平衡。 FE=qEH=Uh / bI=-nqvbd (7-1)传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件式中式中 R RH H 霍尔常数（霍尔常数（m m3 3/c/c） 霍尔元件形状系数霍尔元件形状系数 d d 霍尔元件厚度（霍尔元件厚度（m m） L L 霍尔元件长度（霍尔元件长度（m m） b b 霍尔元件宽度（霍尔元件宽度（m m） I I 控制电流（控制电流（A A） B B 磁感应强度（特斯拉磁感应强度（特斯拉T T，即，即Wb/mWb/m2 2） （72） 霍尔电压霍

7、尔电压U UH H 的大小为的大小为传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后，霍尔元件的后，霍尔元件的输出电压输出电压U UH H 正比于控制电流正比于控制电流I I 和磁感应强和磁感应强度度B B 。 令令 ，称之为霍尔元件灵敏度，称之为霍尔元件灵敏度，则（则（7 72 2）改写为）改写为（73） 二、霍尔元件的基本特性 霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成，其电路符号如图72所示。图中两短边引线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压；霍尔元件

8、的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图72 霍尔元件电路符号 由式（由式（7 72 2）可知，要使霍）可知，要使霍尔尔元件有元件有较高的灵敏度，高的灵敏度，必必须要求霍要求霍尔尔元件材料有元件材料有较大的霍大的霍尔尔常数。霍常数。霍尔尔常数常数R RH H 等等于材料的于材料的电阻率与阻率与电子迁移率的乘子迁移率的乘积，金属材料，金属材料电子迁移子迁移率大，但率大，但电阻率很小；阻率很小；绝绝材料材料电阻率极高，但阻率极高，但载流子迁流子迁移率极低；移率极低；只有半只有半导体材料适于作霍体材料适于作霍尔尔元件，

9、其元件，其电阻率和阻率和载流子的迁移率都比流子的迁移率都比较大大。目前常用的半。目前常用的半导体材料有硅、体材料有硅、锗、锑化化铟和砷化和砷化铟等，等，这些材料不但有些材料不但有较大的霍大的霍尔尔常数，常数，而且有而且有较好的好的线性度。性度。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件n n常用半导体材料的特性传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如下几个基

10、本特性。下几个基本特性。1 1U UH HI I 特性特性 当当K KH H 和和B B 为为定定值值时时，在在一一定定的的温温度度下下，霍霍尔尔电电压压U UH H 与与控控制制电电流流I I 有有较较好好的的线线性性关关系系，此此时时I I 对对U UH H 有有较较高高的的灵灵敏敏度度。利利用用这这一一特特性性，霍霍尔尔元元件件可可直直接接用用于于测测量量电电流流或或激激励源电压励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。 2 2U UH HB B 特性特性 当当K KH H 和和I I 为为定定值值时时，霍霍尔尔电电压压U UH H 与与

11、磁磁场场B B 具具有有单单值值关关系系，在在磁磁不不饱饱和和时时（一一般般B B小小于于0.5T0.5T） U UB B 与与B B 具具有有线线性性关关系系。利利用用这这一一特特性性，霍霍尔尔元元件件可可用用于于测测量量交交、直直流流磁磁感感应应强强度度或或磁磁场场强强度度；若若B B 为为一一个个均均匀匀梯梯度度的的磁磁场场，则则霍霍尔尔电电压压U UB B 取取决决于于霍霍尔尔元元件件在在磁磁场场中中的的位位置置，从从而而实实现现微微位位移移及及可可转转换换为为微微位位移移的的压压力力、加加速速度度、振振动动等等非非电电量量的的测测量。量。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用

12、主编戴焯磁电传感器课件感器课件 3 3U UH HIB IB 特性特性 利用利用U UH H 与与IB IB 的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器，的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器，当控制电流当控制电流I I 和磁场和磁场B B 为同一电源激励时，为同一电源激励时，可利用霍尔元可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量件进行电源输出功率的测量。 4 4开关特性开关特性 霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（1010121210101414 S S），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件特性，霍尔元件可用于制作

13、计数器或转速计可用于制作计数器或转速计。 5 5集成特性集成特性 霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作成与测量电路一起作成集成霍尔传感器集成霍尔传感器。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 三、测量电路三、测量电路 霍霍尔尔元元件件基基本本测测量量电电路路如如图图7 74 4所所示示。霍霍尔尔电电压压U UH H 一一般般为为毫毫伏伏数数量量级级，因因而而实实际际应应用用时时霍霍尔尔效效应应输输出出电电压压U UH H 要要接接差差动动放放大大器器；根根据据霍霍尔尔元元件件工工作作条

14、条件件不不同同，霍霍尔尔电电压压可可以以是是线线性性量量或或开开关关量量，因因而而其其测测量量电电路路可可能能是是线线性性型型或或开关型。开关型。（a）线性型 （b）开关型 图74 霍尔元件测量电路 传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 四、误差及其补偿四、误差及其补偿 1 1零位误差及其补偿零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流霍尔元件在控制电流I I=0=0或磁场或磁场B B=0=0时出现的霍尔电压时出

15、现的霍尔电压U UH H ，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下三个因素。三个因素。 （1 1）直流寄生电势直流寄生电势 霍尔元件控制电流或霍尔电压霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点两引线电极焊点大小不大小不等、热容量不同等、热容量不同, ,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。电势。 （2 2）寄生感

16、应电势寄生感应电势 当控制电流当控制电流I I 为交变电流时为交变电流时, ,此电流形成的交变磁场此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电。为了减小寄生感应电势势, ,要求各电极引线尽可能短要求各电极引线尽可能短, ,且布线合理以减少磁交链。且布线合理以减少磁交链。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 （3 3）不等位电势不等位电势( (零位误差的主要原因）零位误差的主要原因） 霍尔元件控制电流霍尔元件控制电流I I 和霍尔电压和霍尔电压U UH H 的的四电极分布不对四电极分布不对称而引起的寄

17、生不等位电势称而引起的寄生不等位电势。如图。如图7 75 5所示，当各电极所示，当各电极a a、b b、c c、d d 对称分布时，各电极之间的电阻对称分布时，各电极之间的电阻r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4相等，此时电阻桥平衡，寄生霍尔电压相等，此时电阻桥平衡，寄生霍尔电压U UH H = 0= 0。当各电。当各电极分布不对称时，两个霍尔电极不在一个等位面上，电阻极分布不对称时，两个霍尔电极不在一个等位面上，电阻桥失去平衡，故产生不等位寄生电势。桥失去平衡，故产生不等位寄生电势。 图75 霍尔元件不等位电势原理图 a）不对称电极 （b）电极等效电桥传感器原理与应用主编戴

18、焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 不不等等位位电电势势是是产产生生零零位位误误差差的的主主要要原原因因，其其大大小小通通常常具具有有霍霍尔尔电电压压U UH H 相相同同的的数数量量级级，目目前前在在工工艺艺上上很很难难保保证证电电极极分分布布的的对对称称性性，因因而而必必须须采采取取电电路路补补偿偿的的方方法法以以消消除除不不等等位位电电势势。图图7 76 6给给出出了了两两种种补补偿偿电电路路，图图中中（a a）是是电电阻阻值值较较大大的的桥桥臂臂上上并并联联电电阻阻，图图中中（b b）是是在在两两相相邻邻桥桥臂臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。上并联电阻，以

19、增加电极等效电桥的对称性。图76 不等位电势补偿电路传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 2 2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍霍尔尔元元件件在在实际应用用时，存存在在多多种种因因素素影影响响其其测量量精精度度，造造成成测量量误差差的的主主要要因因素素有有两两类：半半导体体的的固固有有特特性性；半半导体体制制造造工工艺缺缺陷陷。其其主主要要表表现形形式式为温温度度误差差和和零零位位误差差。一一般般来来说，温温度度升升高高半半导体体材材料料的的电阻阻率率（下下降降）和和迁迁移移

20、率率（下下降降）载流流子子浓度度（增增加加）R RH H下下降降，霍霍尔尔元元件件中中常常用用的的几几种种材材料料，硅硅比比锗温温度度系系数数小小一一些些，梯梯化化铟对温温度度最最敏敏感感，但但其其霍霍尔尔常常数数大大，砷砷化化铟温温度度系系数数最最小小，但但其其霍霍尔尔常常数数小小。不不同同材材料料的的霍霍尔尔元元件件都都具具有有一一定定的的温温度度系系数数，致致使使霍霍尔尔电压U UH H随随温温度度而而变化化，产生生温温度度误差差。为了了减减小小温温度度误差差，除除了了选择温温度度系系数数小小的的霍霍尔尔元元件件或或采采取取恒恒温温措措施施外外，通通常常可可采采用用图图7 77 7所示恒

21、流源控制所示恒流源控制电路路补偿方法。方法。 传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 在在图图7 77 7电电路路中中, ,电电流流I I为为恒恒定定电电流流，不不受受温温度度影影响响；电电阻阻r rH H 为为霍霍尔尔元元件件等等效效输输入入电电阻阻，并并联联r rT T 为为外外接接补补偿偿电电阻，阻，r rT T 具有如具有如r rH H 相同的正温度系数相同的正温度系数, ,此时霍尔元件的控制此时霍尔元件的控制电流电流 基本不变。基本不变。-霍霍尔尔器器件件内内阻阻温温度度系系数数 -霍霍尔尔电电势势温温度度系系数数（查查元元件参数表、或产品说明书

22、）件参数表、或产品说明书） 图77 温度补偿电路传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件n n电桥补偿电路。电桥补偿电路。电桥补偿电路。电桥补偿电路。RPRP用于调节补偿不等位电势。在霍尔用于调节补偿不等位电势。在霍尔用于调节补偿不等位电势。在霍尔用于调节补偿不等位电势。在霍尔元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上R1R4R1R4均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻均为等值的锰铜

23、电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻R Rt t。当温度变化时，当温度变化时，当温度变化时，当温度变化时， R Rt t阻值随之变化，使补偿电桥的输阻值随之变化，使补偿电桥的输阻值随之变化，使补偿电桥的输阻值随之变化，使补偿电桥的输出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，便可以做到一定温度范围内便可以做到一定温度范围内便可以做到一定温度范围内便可以做到一定温度范围内40404040，在，在，在，在1

24、 1、2 2两两两两点间的霍尔电势与温度基本无关点间的霍尔电势与温度基本无关点间的霍尔电势与温度基本无关点间的霍尔电势与温度基本无关。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 五、集成霍尔传感器五、集成霍尔传感器 随随着着硅硅集集成成电电路路工工艺艺日日趋趋完完善善，可可以以把把霍霍尔尔元元件件和和测测量量电电路路集集成成在在一一起起而而组组成成集集成成霍霍尔尔传传感感器器。目目前前已已研研制制出出多多种种集集成成霍霍尔尔传传感感器器，按按其其功功能能不不同同可可分分为为两两大大类类，即即开开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。关型集成霍尔传感器和线性

25、型集成霍尔传感器。 1 1开关型集成霍尔传感器（控制电路）开关型集成霍尔传感器（控制电路） 开开关关型型集集成成霍霍尔尔传传感感器器是是把把霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电压压经经电电路路处处理理后后形形成成一一个个高高电电平平或或低低电电平平的的开开关关量量输输出出，集集成成电电路路主主要要由由霍霍尔尔元元件件、差差分分放放大大器器、施施密密特特触触发发器器等等部部分分组组成，如图成，如图7 78 8所示。所示。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图78 开关型集成霍尔传感器原理框图 霍尔元件一般由平面型硅霍尔元件组成，在0.1T磁场作用下，其开路输出

26、电压约20mV，接负载后不低于10mV。由于霍尔元件输出电压随温度上升而下降，因而通常选用具有负温度系数二极管与霍尔元件串联，温度上升使串联二极管正向压降下降，从而补偿霍尔输出电压。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图79 输出电平与磁感应强度关系 差差分分放放大大器器采采取取双双端端输输入入、双双端端输输出出工工作作方方式式，将将霍霍尔尔输输出出电电压压放放大大几几十十倍倍；其其共共模模反反馈馈电电阻阻进进一一步步消消除除温温度度对输出电压的影响，增强抗干扰能力。对输出电压的影响，增强抗干扰能力。 开关型集成霍尔传感开关型集成霍尔传感器输出电平具有迟

27、滞现象，器输出电平具有迟滞现象，其回差宽度其回差宽度B B = =B BH HB BL L 。B B 越小，电平转移灵敏越小，电平转移灵敏度就越高；反之，度就越高；反之，B B 越越大，输出电平抗干扰能力大，输出电平抗干扰能力越强。越强。 施密特触发器将差分放大器输出电压整形为矩形脉冲，施密特触发器将差分放大器输出电压整形为矩形脉冲，并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。整形后输出并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。整形后输出的矩形脉冲经倒相后加至输出级，使输出电平与磁感应强的矩形脉冲经倒相后加至输出级，使输出电平与磁感应强度之间的关系如图度之间的关系如图7 79 9所示。所示。传感器原

28、理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 2线性型集成霍尔传感器（测量电路） 线性型集成霍尔传感器的输出电压与外加磁感应强度之间呈线性比例关系、集成电路主要由霍尔元件和差分放大器组成，差分放大器有单端输出和双端输出两种形式，如图710所示。 图710 线性型集成霍尔传感器原理框图 （a）单端输出 （b）双端输出传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 差分放大器通常差分放大器通常为两两级差分放大差分放大电路，第二路，第二级差分放差分放大采用达林大采用达林顿管，全管，全电路的增益可达路的增益可达10001000倍，因而灵敏度倍，因而

29、灵敏度大大提高；在磁不大大提高；在磁不饱和的情况下，和的情况下，输出出电压与磁感与磁感应强强度度有很好的有很好的线性关系。性关系。这种种电路内部一般都没有路内部一般都没有电源源调整整电路和附加温度路和附加温度补偿电路，路，应用用时最好外加最好外加稳压电路及温度路及温度补偿措施。措施。 六、霍尔传感器的应用六、霍尔传感器的应用 霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。 1 1高斯计高斯计 如图如图7 71111所示，将霍尔元件垂直置于磁场所示，将霍尔元件垂直

30、置于磁场B B 中，输中，输入恒定的控制电流入恒定的控制电流I I，则霍尔输出电压，则霍尔输出电压U UH H 正比于磁感应强正比于磁感应强度度B B，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图711 高斯计原理图 (测恒定、交变磁场）图712 电流计原理图 2电流计 如如图图7 71212所所示示，将将霍霍尔尔元元件件垂垂直直置置于于磁磁环环开开口口气气隙隙中中，让让载载流流导导体体穿穿过过磁磁环环，由由于于磁磁环环气气隙隙的的磁磁感感应应强强度度B B 与与待待测测电电流

31、流I I成成正正比比，当当霍霍尔尔元元件件控控制制电电流流I IH H一一定定时时，霍霍尔尔输输出出电电压压U UH H 则则正正比比于于待待测测电电流流I I，这这种种非非接接触触检检测测安安全全简便，适用于高压线电流检测。简便，适用于高压线电流检测。 B=fB=f(I) (I) UH= KH IHf(I)传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图713 转速计原理图 3转速计 如图如图7 71313所示，将霍尔元件移置旋转盘下边，让转所示，将霍尔元件移置旋转盘下边，让转盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件；当控制电流盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元

32、件；当控制电流I I 一定时，霍尔输出电压一定时，霍尔输出电压U UH H 决定于小磁铁的磁场。决定于小磁铁的磁场。 由于小磁铁固定在旋由于小磁铁固定在旋转盘上，当旋转盘随转轴转盘上，当旋转盘随转轴转动时，霍尔元件上获得转动时，霍尔元件上获得周期变化的磁脉冲，因而周期变化的磁脉冲，因而产生相应的霍尔脉冲电压，产生相应的霍尔脉冲电压，此脉冲电压单位时间内的此脉冲电压单位时间内的个数，正比于转轴的旋转个数，正比于转轴的旋转速度，从而实现转速的检速度，从而实现转速的检测；转盘上磁铁对数越多，测；转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率越高。传感器测速的分辨率越高。 （周期脉冲）（周期脉冲）传感器原理与

33、应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图714 开门报警器电路图 4霍尔开关 霍尔开关不但动态特性好，而且环境适应性好，既无机械磨损，又无触点烧蚀缺陷，因而在自动控制及报警器电路中得到广泛应用。图714是一个开门报警器电路。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 使使用用开开门门报报警警器器时时，TL3019TL3019霍霍尔尔传感感器器装装在在门框框上上，磁磁铁装装在在门板板上上，门关关闭时TL3019TL3019输出出保保持持低低电平平；门打打开开时TL3019TL3019输出出电平平由由低低变高高，此此正正脉脉冲冲经0.1F

34、0.1F电容容延延时后后加加到到TLC555TLC555单稳态定定时器器的的控控制制端端5 5和和复复位位端端4 4上上，起起动定定时器器循循环控控制制，使使发光光管管TIL220TIL220发光光、压电报警警器器发声声，形形成成声声、光光报警警。图中中定定时器器引引脚脚6 6和和7 7接接1.0F1.0F电容容和和5.1M5.1M电阻阻，决决定定TLC555TLC555的的RC RC 时间常常数数，即即决决定定声声、光光报警器警器发出声、光出声、光时间的的长短（短（约5 5秒）。秒）。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传

35、感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 第二节 磁敏电阻 磁敏电阻系指利用半导体磁阻效应研制而成的对磁场磁敏电阻系指利用半导体磁阻效应研制而成的对磁场敏感的元件。如同电阻一样，磁敏电阻也只有两个端子、敏感的元件。如同电阻一样，磁敏电阻也只有两个端子、结构简单，安装方便，因而获得多方面应用。结构简单，安装方便，因而获得多方面应用。 一、磁阻效应 某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应而且其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应。引起电阻变化的原因有二，其一是材料的电阻率随磁场增电阻率随

36、磁场增加而增加，称为加而增加，称为磁阻率效应磁阻率效应；其二是在磁场作用下，通过在磁场作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，如图磁敏电阻电流的路径变长，如图7 71515所示，因而电极间所示，因而电极间电阻值增加，这种现象称为电阻值增加，这种现象称为几何磁阻效应几何磁阻效应。目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图715 几何磁阻效应示意图（a）L/W1 （b）L/W1 （c）柯比诺元件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 半半导导体体材材料料的的几几何何磁磁阻阻效效

37、应应与与材材料料的的几几何何形形状状和和尺尺寸寸有有关关，如如图图7 71616所所示示。由由于于柯柯比比诺诺元元件件为为盘盘形形元元件件，其其两两电电极极为为圆圆盘盘中中心心和和圆圆周周边边，电电流流在在两两电电极极间间流流动动时时，受受磁磁场场影影响响而而呈呈涡涡旋旋形形流流动动，霍霍尔尔电电场场无无法法建建立立，因因而而柯柯比比诺诺元元件件可可以以获获得得最最大大磁磁阻阻效效应应，但但其其电电阻阻值值太太小小实实用用价价值值不不大大。将将长长方方形形磁磁阻阻元元件件的的L/WL/W比比值值减减小小，磁磁阻阻效效应应R RB B/R/R0 0也相应增大，但零磁场下的电阻值也相应增大，但零磁

38、场下的电阻值R R0 0也要变小。也要变小。 图716 几何形状与磁阻变化特性 传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 为为了了获获得得较较大大的的磁磁阻阻效效应应而而又又有有足足够够大大的的R R0 0，实实际际上上采采用用L/WL/W1 1的的多多个个元元件件串串联联，如如图图7 71717所所示示平平面面电电极极磁磁敏电阻。敏电阻。 图717 平面电极磁敏电阻 平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟（平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟（InSbInSb）半导体薄片上，用）半导体薄片上，用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格光刻的方法制作多个平行等间距的金

39、属条构成栅格, ,这相当于多个这相当于多个L/WL/W1 1的长方形的长方形InSbInSb薄片磁阻元件串联薄片磁阻元件串联, ,增加了零磁场电阻增加了零磁场电阻R R0 0 , ,片与片与片之间为金属导体，片之间为金属导体，把霍尔电压短路，不能形成电场力，电子运动把霍尔电压短路，不能形成电场力，电子运动方向总是斜的，电阻增加的很多，即可以获得较高的磁阻效应。方向总是斜的，电阻增加的很多，即可以获得较高的磁阻效应。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图718 磁阻特性曲线 二、磁

40、敏电阻的基本特性 1磁阻灵敏度 通常把磁敏电阻的比值RB/R0称为磁敏电阻的灵敏度，其中R0为无磁场时磁阻元件的阻值，RB是磁感应强度为B 时磁阻元件的阻值。 2 2磁阻特性磁阻特性 磁敏电阻的磁阻特性指磁敏电阻的磁阻特性指的是其阻值的是其阻值R R 随磁感应强度随磁感应强度B B 变化的特性。特性曲线如图变化的特性。特性曲线如图7 71818所示，纵坐标为磁阻灵所示，纵坐标为磁阻灵敏度敏度R RB B/R/R0 0 ，横坐标为磁感应，横坐标为磁感应强度强度B B 。由特性曲线可知，。由特性曲线可知，磁阻元件对正、负磁场的作磁阻元件对正、负磁场的作用具备相同的灵敏度用具备相同的灵敏度。传感器原

41、理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 3 3磁阻温度系数磁阻温度系数 磁磁阻阻温温度度系系数数是是指指温温度度每每变化化11，磁磁敏敏电阻阻的的相相对变化化量量。磁磁阻阻元元件件一一般般都都是是用用半半导体体InSbInSb制制作作，其其磁磁阻阻受受温度影响温度影响较大。大。图719 两磁阻元件串联 三端差分型InSb电阻 为了改善磁阻温度特性，为了改善磁阻温度特性，方法之一方法之一是在是在InSbInSb晶体中掺入晶体中掺入一定量的锑化镍一定量的锑化镍NiSbNiSb，形成，形成InSbInSbNiSbNiSb共晶磁阻元件共晶磁阻元件, ,但掺但掺杂后将导致磁

42、阻灵敏度下降；杂后将导致磁阻灵敏度下降；方法之二方法之二是采用两个磁阻元件是采用两个磁阻元件串联，组成差动式输出，如图串联，组成差动式输出，如图7 71919所示，这种方法不但具有所示，这种方法不但具有温度补偿功能，而且使灵敏度温度补偿功能，而且使灵敏度得到提高。得到提高。 传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图图7 72020是是利利用用三三端端差差动动输输出出式式InSbInSb磁磁敏敏电电阻阻构构成成的的直直线线位位移移传传感器。感器。 三、磁敏电阻的应用三、磁敏电阻的应用 利用磁敏电阻的磁阻特性，可以应用于无触点电位差利用磁敏电阻的磁阻特性，可

43、以应用于无触点电位差计、直线位移传感器、转速计、非接触电流监视电路等方计、直线位移传感器、转速计、非接触电流监视电路等方面。面。图720 磁敏电阻测直线位移传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 初初态态时时，将将磁磁铁铁置置于于InSbInSb平平面面电电极极磁磁敏敏电电阻阻中中间间位位置置，磁磁场场与与InSbInSb受受磁磁平平面面垂垂直直，此此时时输输出出电电压压为为U UO O ；位位移移时时，磁磁铁铁沿沿平平面面方方向向X X直直线线左左右右平平移移，此此时时输输出出电电压压U UO O的的变变化化量量U UO O与与直直线线位位移移量量成成正

44、正比比。利利用用这这种种原原理理可可以以检检测测微微位位移或与微位移有关的其它非电量。移或与微位移有关的其它非电量。 图7 72121是是由由磁磁敏敏电阻阻构构成成的的磁磁卡卡读出出器器原原理理电路路。图中中磁磁敏敏电阻阻MSMSF06F06本本身身带有有永永久久磁磁铁，两两磁磁阻阻元元件件MRMR1 1和和MRMR2 2 接成差接成差动输出方式，可出方式，可实现对磁卡弱磁磁卡弱磁场的的检测。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图721 磁卡读出器原理电路 有些磁敏电阻内还设置有放大、整形电路，其特点不有些磁敏电阻内还设置有放大、整形电路，其特点不但信噪

45、比高，而且频率特性好，可用于磁性体旋转位置及但信噪比高，而且频率特性好，可用于磁性体旋转位置及速度的检测，以及带有磁性墨水印刷的印刷物检测或真假速度的检测，以及带有磁性墨水印刷的印刷物检测或真假纸币的判别。纸币的判别。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件n n磁阻式旋转传感器n n磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用四

46、磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻四磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻四磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻四磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理图如下：旋转传感器的工作原理图如下：旋转传感器的工作原理图如下：旋转传感器的工作原理图如下：n n当齿轮的齿顶对准当齿轮的齿顶对准当齿轮的齿顶对准当齿轮的齿顶对准MRMR1 1，而齿根对准，而齿根对准，而齿根对准，而齿根对准MRMR2 2时，时，时，时，MRMR1 1的电阻的电阻的电阻的电阻增加，增加，增加，增加，MRMR2 2 不变，不变，不变，不变，U U0 0Uin/2Ui

47、n/2Uin/2；当齿顶（或齿根）在；当齿顶（或齿根）在；当齿顶（或齿根）在；当齿顶（或齿根）在MRMR1 1和和和和MRMR2 2之间时，之间时，之间时，之间时， U U0 0Uin/2Uin/2，输出电压波形见图。，输出电压波形见图。，输出电压波形见图。，输出电压波形见图。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 第三节 磁敏二极管 和磁敏三极管 磁磁敏敏二二极极管管和和磁磁敏敏三三极极管管是是继继霍霍尔尔元元件件和和磁磁阻阻元元件件之之后后发发展展起起来来的的新新型型半半导导体

48、体磁磁敏敏元元件件。这这种种磁磁敏敏元元件件具具有有很很高高的的磁磁灵灵敏敏度度（比比霍霍尔尔元元件件高高数数百百至至数数千千倍倍），可可以以在在较较弱弱磁磁场场下下工工作作，这这是是霍霍尔尔元元件件和和磁磁阻阻元元件件所所不不及及的的。它它不不但但能能检检测测磁磁场场的的大大小小和和方方向向，且且体体积积小小、测测试试电电路路简简单单，特别适合制作漏磁检测、磁力探伤及无触点磁敏开关。特别适合制作漏磁检测、磁力探伤及无触点磁敏开关。 一、磁敏二极管一、磁敏二极管 1 1基本结构基本结构 磁磁敏敏二二极极管管是是一一种种PINPIN型型磁磁敏敏元元件件，由由硅硅或或锗锗材材料料制制成，其结构和电

49、路符号如图成，其结构和电路符号如图7 72222所示。所示。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图中图中i i 区为本征或接近本征半导体区为本征或接近本征半导体( (高阻区），亦称高阻区），亦称本征区；在本征区的两端用合金法制成本征区；在本征区的两端用合金法制成重重掺杂的掺杂的P P+ +区和区和N N区；在本征区的一侧采用杂质扩散法或喷砂法制成载流子区；在本征区的一侧采用杂质扩散法或喷砂法制成载流子复合速度很高的复合速度很高的r r （粗糙）区，亦称高复合区；在高复合（粗糙）区，亦称高复合区；在高复合区相对的另一侧区相对的另一侧L L保持光滑的无复合

50、表面，亦称光滑面。保持光滑的无复合表面，亦称光滑面。（a）基本结构 （b）电路符号 图722 磁敏二极管结构和电路符号传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 2 2工作原理工作原理 磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二磁敏二极管工作时需加正向偏压极管工作时需加正向偏压，即，即P P+ +区接正、区接正、N N区接负；此时区接负；此时磁敏二极管电阻大小决定于磁场的大小和方向。当磁敏二磁敏二极管电阻大小决定于磁场的大小和方向。当磁敏二极管反向偏置时，将呈现高阻状态，且与磁场的作用无关。极管反向偏置时，将呈现高阻

51、状态，且与磁场的作用无关。图图7 72323表示磁敏二极管在正向偏压下，载流子受磁场影表示磁敏二极管在正向偏压下，载流子受磁场影响情况。响情况。 如如图图7 72323（a a）所所示示，当当磁磁敏敏二二极极管管未未受受到到外外界界磁磁场场作作用用时时，正正偏偏压压使使得得大大多多数数空空穴穴和和电电子子能能够够穿穿过过i i 区区流流入入N N- -区区和和P P+ +区区，形形成成偏偏流流I I，只只有有少少数数电电子子和和空空穴穴在在i i 区区复复合合掉。掉。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图723 磁敏二极管载流子受磁场影响（a）无磁场 （

52、b）正向磁场 （c）反向磁场传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 如如图图7 72323（c c）所所示示，当当磁磁敏敏二二极极管管受受到到外外界界反反向向磁磁场场H H作作用用时时，电电子子和和空空穴穴受受洛洛伦伦兹兹力力的的作作用用向向L L 面面偏偏转转，由由于于L L 面面为为无无复复合合的的光光滑滑面面，因因而而到到达达光光滑滑面面后后又又反反射射回回i i 区区，致致使使i i 区区载载流流子子浓浓度度增增加加，于于是是电电阻阻减减小小、偏偏流流I I 增大增大。 由由上上分分析析可可见见，外外加加磁磁场场的的大大小小和和方方向向的的改改变变

53、，能能引引起磁敏二极管电阻或偏流的改变，因而可以实现磁电转换起磁敏二极管电阻或偏流的改变，因而可以实现磁电转换。 如图如图7 72323（b b）所示，）所示，当磁敏二极管受到外界正向磁当磁敏二极管受到外界正向磁场场H+H+作用时作用时，由正偏压产生的电子、空穴载流子受到磁，由正偏压产生的电子、空穴载流子受到磁场的洛伦兹力的作用向场的洛伦兹力的作用向r r 区偏转，并在区偏转，并在r r 区迅速复合，致区迅速复合，致使使i i 区载流子浓度减小，于是区载流子浓度减小，于是电阻增加、偏流电阻增加、偏流I I 减小减小。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件图

54、724 磁敏二极管伏安特性 3 3主要特性主要特性 （1 1）伏安特性伏安特性 在在给定定的的磁磁场下下，磁磁敏敏二二极极管管正正向向偏偏压与与偏偏流流的的关关系系被被称称为磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性。如如图7 72424所所示示。在在同同一一磁磁场场下下，加加在在磁磁敏敏二二极极管管上上的的偏偏压压越越大大，偏偏流流也也越越大大；在在一一定定的的偏偏压压范范围围内内，伏伏安安特特性性有有近近似似的的线线性性关关系系。同同时，在在正正向向偏偏压一一定定时，正正向向磁磁场越越大大、磁磁阻阻越越大大、偏偏流流越越小小；反反向向磁磁扬越越大大、磁阻越小、偏流越大。磁阻越小、偏流越大。传

55、感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 （2）磁电特性 磁电特性是指磁敏二极管磁电特性是指磁敏二极管输出电压变化量与外加磁场的输出电压变化量与外加磁场的关系。如图关系。如图7 72525所示，所示，单只磁单只磁敏二极管正向磁场下输出电压敏二极管正向磁场下输出电压的灵敏度大于反向磁场下的灵的灵敏度大于反向磁场下的灵敏度，且在敏度，且在B B0.10.1T T 期间具有期间具有较好的线性关系较好的线性关系，即磁敏二极，即磁敏二极管对弱磁场具有较好的磁电特管对弱磁场具有较好的磁电特性和较高的磁灵敏度。若要获性和较高的磁灵敏度。若要获得更大的线性工作范围，可采得更大

56、的线性工作范围，可采用两管互补使用。用两管互补使用。 硅硅磁敏二极管磁敏二极管:E=15V,RL=2K;或或E=21V，RL=3K。图725 磁敏二极管磁电特性传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件n n锗磁敏二极管的磁场频率与输出电压的关系曲线。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 4 4温度特性及补偿温度特性及补偿 由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成，因而温度对磁由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成，因而温度对磁敏二极管性能参数的影响较大，在使用磁敏二极管时，必敏二极管性能参数的影响较大，在使用磁敏二极管时，必须采取相

57、应的温度补偿措施，常用的补偿电路如图须采取相应的温度补偿措施，常用的补偿电路如图7 72626所示。所示。图726 磁敏二极管温度补偿电路传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 当当磁磁敏敏二二极极管管单单管管使使用用时时，可可采采用用与与磁磁敏敏二二极极管管温温度度特特性性相相同同的的热热敏敏电电阻阻串串联联电电路路补补偿偿。如如图图7 72626（a a）所所示示，此此时时温温度度引引起起热热敏敏电电阻阻R Rt t和和磁磁敏敏二二极极管管D D的的电电压压增增量量相相同同，串联分压结果输出电压串联分压结果输出电压U Uo o中无温漂。中无温漂。 当当

58、采采用用两两只只磁磁敏敏二二极极管管工工作作时时，可可选选择择两两只只磁磁电电特特性性相相同同的的磁磁敏敏二二极极管管接接成成差差动动半半桥桥的的方方式式补补偿偿。如如图图7 72626（b b）所所示示，此此时时两两磁磁敏敏二二极极管管的的磁磁敏敏感感面面应应相相对对或或背背向向放放置置，即即两两管管感感受受相相反反极极性性的的磁磁场场作作用用，根根据据差差动动桥桥的的加加减减特特性性，不不但但可可以以实实现现温温度度自自补补偿偿，而而且且可可以以提提高高输输出出电压的灵敏度。电压的灵敏度。 图图7 72626（c c）是是差差动动全全桥桥补补偿偿电电路路，四四只只磁磁敏敏二二极极管管具具有

59、有相相同同的的磁磁电电特特性性，按按照照相相邻邻桥桥臂臂磁磁极极性性相相反反的的原原则则接接入入四四个个桥桥臂臂上上，此此时时不不但但具具有有温温度度自自补补偿偿，而而且且电电桥桥输输出出电压的灵敏度更高。电压的灵敏度更高。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 二、磁敏三极管二、磁敏三极管 1 1基本结构基本结构 磁敏三极管是在磁敏二极管基础上发展起来的磁敏晶磁敏三极管是在磁敏二极管基础上发展起来的磁敏晶体管，由体管，由SiSi或或GeGe材料经掺杂扩散而成硅管或锗管，亦有材料经掺杂扩散而成硅管或锗管，亦有NPNNPN型和型和PNPPNP型，图型，图7

60、72727表示表示NPNNPN型磁敏三极管的基本结构型磁敏三极管的基本结构和电路符号。和电路符号。 如图如图7 72727（a a）所示，与集电极）所示，与集电极c c、发射极、发射极e e和基极和基极b b相联的分别称之为集电区、发射区和基区，在本征区相联的分别称之为集电区、发射区和基区，在本征区i i 的的一侧形成高复合率的复合区一侧形成高复合率的复合区r r ，在，在r r 区的对面仍保持无复区的对面仍保持无复合的光滑面。合的光滑面。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件（a）基本结构 （b）电路符号 图727 NPN磁敏三极管基本结构和符号传感器原

61、理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 2 2工作原理工作原理 磁敏三极管亦是利用半导体的磁阻效应进行磁电转换磁敏三极管亦是利用半导体的磁阻效应进行磁电转换的。磁敏三极管工作时，如同双极型三极管一样，需要在的。磁敏三极管工作时，如同双极型三极管一样，需要在基极与发射极间加正向偏压，而在基极与集电极间加反向基极与发射极间加正向偏压，而在基极与集电极间加反向偏压，此时磁敏三极管中载流子的运动决定于外加磁场的偏压，此时磁敏三极管中载流子的运动决定于外加磁场的大小和极性，如图大小和极性，如图7 72828所示。所示。 磁敏磁敏三极管的基区可以分为两个：从发射极注入的三极管

62、的基区可以分为两个：从发射极注入的载流子输运到集电极的输运基区；从发射极和基极注入的载流子输运到集电极的输运基区；从发射极和基极注入的载流子复合的复合基区。载流子复合的复合基区。 在图在图7 72828（a a）中，当磁敏三极管）中，当磁敏三极管未受外加磁场作用未受外加磁场作用时，由于磁敏三极管基区宽度大于载流子有效扩散长度，时，由于磁敏三极管基区宽度大于载流子有效扩散长度，由发射区发射的电子只有一小部分扩散到集电区，而大部由发射区发射的电子只有一小部分扩散到集电区，而大部分电子分电子在正偏压作用下在正偏压作用下穿过穿过i i 区到达基区，（主要是漂移区到达基区，（主要是漂移电流）电流）形成较

63、大的基极电流形成较大的基极电流I Ib b ，此时，此时I Ib bI IC C ，=I=IC C/I/Ib b1 1。 传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图728 磁敏三极管载流子受磁场影响（a）无磁场 （b）正向磁场 （c）反向磁场传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 在在7 72828（b b）中，当磁敏三极管）中，当磁敏三极管受到外界正向磁场受到外界正向磁场 H H+ +作用作用时，由发射区发射的电子在时，由发射区发射的电子在i i 区受到磁场洛伦兹力区受到磁场洛伦兹力F FL L作用，向集电区一侧偏转

64、，使集电极电流作用，向集电区一侧偏转，使集电极电流I IC C 增加（三极管增加（三极管导通），导通），基极电流基极电流I Ib b 减小，此时减小，此时I IC CI Ib b ，= =I IC C/I/Ib b1 1。 在在7 72828（c c）中，当磁敏三极管）中，当磁敏三极管受到外界反向磁场受到外界反向磁场 H H作用作用时，由发射区发射的电子在时，由发射区发射的电子在i i 区受到磁场洛伦兹区受到磁场洛伦兹力力F FL L作用，向高速高复合的作用，向高速高复合的r r区偏转，区偏转，使使I IC C 和和I Ib b 都显著减都显著减小小。（三极管截止）。（三极管截止） 由上分析可

65、见，即使基极电流由上分析可见，即使基极电流I Ib b恒定，恒定，磁敏三极磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流管在正、反向磁场作用下，其集电极电流I IC C 发生显著发生显著变化，这是与普通三极管不同的地方。因而磁敏三极变化，这是与普通三极管不同的地方。因而磁敏三极管可用来实现磁电转换管可用来实现磁电转换。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 3主要特性 （1）伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似于普通双极型三极管的伏安特性，如图729所示。 图中（a）表示无磁场作用时的伏安特性曲线，此时集电极电流IC 主要受基极电流Ib 的影响，即发射结正向偏

66、压越大，偏流Ib 越大，则IC 亦越大；而集、射电压Uce对IC 基本无影响。此时IbIC，即=IC/Ib1，这一点与普通三极管不同。即磁敏三极管长基区特征。 图中（b）表示有磁场作用时的伏安特性曲线，此时当Ib一定时，IC 的大小决定于磁场的大小和极性。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件a）B=0 （b）B0 图729 磁敏三极管伏安特性传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 (2(2）磁电特性磁电特性 磁电特性是磁敏三极管磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性，它反映最重要的工作特性，它反映外加磁场对磁敏三极集电

67、极外加磁场对磁敏三极集电极电流电流I IC C 的影响，图的影响，图7 73030表示表示NPNNPN型锗管的磁电特性。由图型锗管的磁电特性。由图可知，磁敏三极管在正向磁可知，磁敏三极管在正向磁场下输出电流的灵敏度大于场下输出电流的灵敏度大于在反向磁场下的灵敏度，且在反向磁场下的灵敏度，且在弱磁场下具有近似的线性在弱磁场下具有近似的线性关系。不同类型的磁敏三极关系。不同类型的磁敏三极管具有各自不同的磁电特性管具有各自不同的磁电特性及其线性工作范围，使用时及其线性工作范围，使用时应根据电路的需要选择磁敏应根据电路的需要选择磁敏三极管。三极管。图730 NPN型锗管磁电特性传感器原理与应用主编戴焯

68、磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 4 4温度特性及补偿温度特性及补偿 如同磁敏二极管一样，磁敏三极管对温度的变化也十如同磁敏二极管一样，磁敏三极管对温度的变化也十分敏感，因而使用磁敏三极管时必须采取相应的温度补偿分敏感，因而使用磁敏三极管时必须采取相应的温度补偿措施，图措施，图7 73131是几种常见的温度补偿电路。是几种常见的温度补偿电路。(a) (b) 图731 磁敏三极管温度补偿电路传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 图图7 73131（a a）是采用具有电流正温度系数的普通硅三）是采用具有电流正温度系数的普通硅三极管极管V

69、V，补偿具有电流负温度系数的硅磁敏三极管，补偿具有电流负温度系数的硅磁敏三极管V Vm m的集的集电极电流的温漂。电极电流的温漂。 图图7 73131（b b）是采用具有电流正温度系数的锗磁敏二）是采用具有电流正温度系数的锗磁敏二极管极管D Dm m，作具有集电极电流负温度系数的硅磁敏三极管，作具有集电极电流负温度系数的硅磁敏三极管V Vm m负载，补偿磁敏三极管输出电压的温漂。负载，补偿磁敏三极管输出电压的温漂。 图图7 73131（c c）是是采采用用PNPPNP和和NPNNPN组组成成两两管管互互补补式式补补偿偿电电路路，如如果果两两管管集集电电极极电电流流温温度度特特性性完完全全一一致

70、致，则则集集电电极极输输出电压不产生温漂。出电压不产生温漂。 图图7 73131（d d）是是采采用用两两管管差差动动输输出出方方式式，要要求求两两管管磁磁极极性性相相反反，但但磁磁电电特特性性一一致致。这这种种电电路路不不但但可可以以实实现现温温度度自补偿，而且可以提高磁灵敏度。自补偿，而且可以提高磁灵敏度。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件(c) (d) 图731 磁敏三极管温度补偿电路传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 三、磁敏管的应用三、磁敏管的应用 相对于其它磁敏器件，磁敏管不但具有很高的磁灵敏相对于

71、其它磁敏器件，磁敏管不但具有很高的磁灵敏度，同时能识别磁场极性；而且体积小、功耗低，因而具度，同时能识别磁场极性；而且体积小、功耗低，因而具有广泛的应用前景。可以用于交、直流磁场的检测，特别有广泛的应用前景。可以用于交、直流磁场的检测，特别适用于适用于10106 6 T T以下弱磁场的检测；可制作钳形电流表，对以下弱磁场的检测；可制作钳形电流表，对高压大电流进行不断线检测；制作无触点开关或接近开关高压大电流进行不断线检测；制作无触点开关或接近开关等。尤其是磁敏三极管，其磁灵敏度比磁敏二极管大十多等。尤其是磁敏三极管，其磁灵敏度比磁敏二极管大十多倍，且动态性能好，噪声小，是一种很有发展前途的新型

72、倍，且动态性能好，噪声小，是一种很有发展前途的新型半导体磁敏器件。半导体磁敏器件。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件n n磁敏三极管的磁灵敏度较高，很适合与检测微弱磁场的变化，通磁敏三极管的磁灵敏度较高，很适合与检测微弱磁场的变化，通磁敏三极管的磁灵敏度较高，很适合与检测微弱磁场的变化，通磁敏三极管的磁灵敏度较高，很适合与检测微弱磁场的变化，通常可测量常可测量常可测量常可测量0.1T0.1T左右的弱磁场。利用磁敏三极管磁灵敏度高的特点，左右的弱磁场。利用磁敏三极管磁灵敏度高的特点，左右的弱磁场。利用磁敏三极管磁灵敏度高的特点，左右的弱磁场。利用磁敏三极

73、管磁灵敏度高的特点，可以做漏磁探伤仪、地磁探测仪等。可以做漏磁探伤仪、地磁探测仪等。可以做漏磁探伤仪、地磁探测仪等。可以做漏磁探伤仪、地磁探测仪等。n n例如，用磁敏三极管做探头，对被测棒材表面进行探测，如图，例如，用磁敏三极管做探头，对被测棒材表面进行探测，如图，例如，用磁敏三极管做探头，对被测棒材表面进行探测，如图，例如，用磁敏三极管做探头，对被测棒材表面进行探测，如图，钢棒被磁化表面无缺陷时，探头附近没有漏磁通，因而探头没有钢棒被磁化表面无缺陷时，探头附近没有漏磁通，因而探头没有钢棒被磁化表面无缺陷时，探头附近没有漏磁通，因而探头没有钢棒被磁化表面无缺陷时，探头附近没有漏磁通，因而探头没

74、有输出信号，一旦棒材有缺陷，缺陷处的漏磁通将作用在磁敏管探输出信号，一旦棒材有缺陷，缺陷处的漏磁通将作用在磁敏管探输出信号，一旦棒材有缺陷，缺陷处的漏磁通将作用在磁敏管探输出信号，一旦棒材有缺陷，缺陷处的漏磁通将作用在磁敏管探头上，使其产生输出信号。头上，使其产生输出信号。头上，使其产生输出信号。头上，使其产生输出信号。传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件 思考与练习题 1霍尔效应及霍尔电压？霍尔效应及霍尔电压？ 2 2磁敏电阻的几何磁阻效应？磁敏电阻的几何磁阻效应？ 3 3磁敏

75、二极管磁敏二极管磁敏三极管磁敏三极管的基本结构及其工作原理？的基本结构及其工作原理？ 4. 4. 若一个霍尔器件的若一个霍尔器件的KH=4mv/mAkGs,KH=4mv/mAkGs,控制电流控制电流I=3mA, I=3mA, 将它置于将它置于1Gs1Gs5kGs5kGs变化的磁场中（设磁场与霍尔器变化的磁场中（设磁场与霍尔器 件平面垂直），它的输出霍尔电势范围多大？并设计件平面垂直），它的输出霍尔电势范围多大？并设计 一个一个2020倍的比例放大器放大该霍尔电势。（画出电路倍的比例放大器放大该霍尔电势。（画出电路 图）图） 5. 5. 压电效应及压电材料？压电效应及压电材料？ 6. 6.为什么石英晶体在为什么石英晶体在Z轴方向力作用下不产生压电效应？轴方向力作用下不产生压电效应？ 7. 7.试简述压电陶瓷的纵向压电效应？试简述压电陶瓷的纵向压电效应？ 传感器原理与应用主编戴焯磁电传传感器原理与应用主编戴焯磁电传感器课件感器课件