第6章 磁敏式传感器原理与应用

1、第第 6 章章 磁敏式传感器原理与应用磁敏式传感器原理与应用6.1 6.1 霍尔传感器霍尔传感器16.2 6.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器6.3 6.3 磁敏电阻器磁敏电阻器36.4 6.4 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管426.5 6.5 磁敏式传感器的应用磁敏式传感器的应用51概述 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。按其结构可分为按其结构可分为体型和结型体型和结型两大类。两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料I

2、nSb(锑化铟锑化铟)、InAs（砷化铟）、（砷化铟）、Ge（锗）、（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻等和磁敏电阻InSb、InAs。结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管Ge、Si，磁敏三极管，磁敏三极管Si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。26.1 霍尔传感器 6.1.1 霍尔效应霍尔效应3图图7-1 霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB6.1.1 霍尔效应霍尔效应6.1 霍尔传感器 4所以，霍尔电压所以，霍尔电压UH可表示为可表示为 UH = EH b = vBb (7-3)设霍尔元件为设霍尔元件为N型型半导体，当它通电流半导体，当它通电流I时时 FL

3、 = qvB (7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEH=qvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 EH=vB （7-2）6.1 霍尔传感器 5流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt = bdvnq得：得： v =I / nqbd (7-4) 所以：所以： UH = BI / nqd 若取若取 RH = 1 / nq 则则 dIBRUHHRH被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数。显然，霍尔系数由。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。半导体材料的性质决定，它

4、反映材料霍尔效应的强弱。 6.1 霍尔传感器 6dRKHH 设设IBKUHH KH即为即为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小的大小. 单位是单位是V/（AT）nqdKH1 6.1 霍尔传感器 7材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁载流子迁移率移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即速度值。即IEv lUv IEbBlUvbBUH 所以所以而而lBU

5、bRbdlUdBRRUdBRdIBRUHHHHH 比较得比较得 HR 或或12)-(7 HR6.1 霍尔传感器 8结论：结论： 如果是如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为为p，同理可得，同理可得pedIBUH 霍尔电压霍尔电压UH与材料的性质有关。与材料的性质有关。 霍尔电压霍尔电压UH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。 HRdRKHH bBlUvbBUH 6.1 霍尔传感器 9 霍尔电压霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。6.1.2 霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍

6、尔元件，基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄型半导体材料。霍尔元件越薄(d 越小越小)，kH 就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。和壳体组成，如图所示。6.1 霍尔传感器 101、构、构 造造6.1 霍尔传感器 11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有a、b两根引线，通常用两根引线，通常用红色导线红色导线，其焊接处称为，其焊接处称为控制电极控制电极；在它的另两侧端面的中点对称

7、地焊有在它的另两侧端面的中点对称地焊有c、d两根霍尔输两根霍尔输出引线，通常用出引线，通常用绿色导线绿色导线，其焊接处称为，其焊接处称为霍尔电极霍尔电极。6.1 霍尔传感器 122 、测量电路、测量电路W1W2UHUH（a）基本测量电路）基本测量电路WUHRLE（b）直流供电输出方式（）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式）交流供电输出方式6.1 霍尔传感器 136.1.3 霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数1、额定功耗、额定功耗P0在环境温度在环境温度25时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。的乘积。2、输入电阻、输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻RORi

8、是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。R0指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。6.1 霍尔传感器 144、霍尔温度系数、霍尔温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，时，霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。tUUUHoHoHt/ )（即：即：)1 (tUUHoHt3、不平衡电势、不平衡电势U0在额定控制电流在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。霍尔电势。6.1 霍尔传感器 155、内

9、阻温度系数、内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。tRRRioioit/ ) （ )1(tRRioit 即：即：6、灵敏度、灵敏度)1(tRROoOt 或：或：dRKHH/ 减小减小d;选好的半导体材料选好的半导体材料6.1 霍尔传感器 16霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数6.1 霍尔传感器 176.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1、零位误差及补偿方法、零位误差及补偿方法图图7-4 不等位电势不等位电势图图7-5 霍尔元件

10、的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R46.1 霍尔传感器 18几种常用补偿方法几种常用补偿方法BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B6.1 霍尔传感器 192、温度误差及补偿、温度误差及补偿(1)利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿（a）基本电路）基本电路 （b）等效电路）等效电路 EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)6.1 霍尔传感器 20元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔

11、电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图由图7-7可知：可知： tRRHtH 10 tRRiit 10 ittRREI ittHHHRREBdRBIdRU 6.1 霍尔传感器 21对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式： 00200iiitiHHRRRRRRRBEdRdtdU RRRRRRRUiiitiH002200 0022000 iiitiiHRRRRRRRRREBdR 6.1 霍尔传感器 22即即 ：由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使 000 RRRii 0iRR当元件的当

12、元件的、及内阻及内阻Ri0确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻R便可求便可求出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其、值可以值可以从元件参数表中查出，而元件内阻从元件参数表中查出，而元件内阻Ri0则可由测量得到。则可由测量得到。6.1 霍尔传感器 23（2）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿 （a）基本电路）基本电路 （b）等效电路）等效电路 UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用恒流源恒流源，使控制电流稳定不变。，使控制电流稳定不变。即，可以即，可以不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回

13、路的温度影响6.1 霍尔传感器 24 在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：) 1( ) 1(00tUUtRRHHtOOt 此时，此时，RL上的电压为上的电压为负载电阻负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为0 dtdULt)2,yxyyxyx （ 0) 1) 100 tRRtROLO （ 0OLRR根据根据LLOHLtRRtRtUU ) 1() 1(00 6.1 霍尔传感器 25当当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只变化

14、对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在考虑在输入端输入端进行补偿即可。进行补偿即可。若采用若采用恒流源恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3）利用恒流源进行补偿）利用恒流源进行补偿6.1 霍尔传感器 26对于对于温度系数大温度系数大的半导体材料常使用。的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电

15、阻，当温度上升时其阻值下降，从而电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。使控制电流上升。（4）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿（a）输入回路补偿）输入回路补偿RRt6.1 霍尔传感器 27（b）输出回路补偿）输出回路补偿 或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使近，使它们温度变化一致。它们温度变化一致。RRLRt6.1 霍尔传感器 28（5） 利用

16、补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿调节电位器调节电位器W1可以消除不等位电可以消除不等位电势。势。电桥由温度系数低的电阻构成，电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥的输出电温度变化而变化，电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。压与温度基本无关。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt6.1 霍尔传感器 29集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和集成霍尔传感

17、器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三三位一体位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了地提高了可靠性可靠性。此外，它具有。此外，它具有体积小、重量轻、功体积小、重量轻、功耗低耗低等优点。等优点。6.2 集成霍尔传感器 306.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后

18、输出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。五部分组成。 6.2 集成霍尔传感器 316.2.2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关输出电压与外加磁场成线性比例关系。系。 一般由一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射

19、极跟随输出及稳压四部分组成。四部分组成。霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、霍尔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。速度、磁场、电流等的测量或控制。6.2 集成霍尔传感器 326.3.1 磁阻效应磁阻效应当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方的平方成正比。成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：)

20、273. 01220BB （6.3 磁敏电阻器 33电阻率的相对变化电阻率的相对变化22220273. 0BKB可以看出可以看出 ，在磁感应强度，在磁感应强度一定时，迁移率越高的材一定时，迁移率越高的材料（如料（如InSb、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越等半导体材料）磁阻效应越明显。明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。因磁场的作用而加长所致。6.3 磁敏电阻器 346.3.2 磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的

21、形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。小，电阻率的相对变化越大。6.3 磁敏电阻器 35长方形磁阻器件只有在长方形磁阻器件只有在lb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作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以条（即短路栅格），以短短路霍尔电势路霍尔电势.图图7-13 长方形磁阻器件长方形磁阻器件BIBlIb6.3 磁敏电阻器 36图图7-14 圆盘形磁阻器件圆盘形磁阻器件(a) (b) B圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。6.3 磁

22、敏电阻器 376.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1. 灵敏度特性灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即电阻变化率来表示，即磁场磁场 电阻变化率特性曲线的电阻变化率特性曲线的斜率。斜率。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为施加为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的磁感应强度时磁阻元件的电阻值。电阻值。 6.3 磁敏电阻器

23、38(b) 电阻变化率特性电阻变化率特性RB/R015105温度温度(25)弱磁场下呈平方特性变化弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特强场下呈直线特性变化性变化00.20.40.60.81.01.21.4B/TS级级(a) S、N级之间电阻特性级之间电阻特性N级级0.3 0.20.1 0 0.10.20.3R/1000500B/T图图7-15 灵敏度特性灵敏度特性6.3 磁敏电阻器 392. 电阻电阻 温度特性温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时

24、，一般都要设计温度补偿电路。时，一般都要设计温度补偿电路。温度（温度（）020150504080100电阻（电阻（）100606.3 磁敏电阻器 40磁敏二极管的磁敏二极管的P型和型和N型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成，在，在P、N之间有一个较长的之间有一个较长的本征区本征区I。本征区。本征区I的一面磨成光的一面磨成光滑的滑的无复合表面无复合表面（I区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成高复高复合区合区（r区），因为电子区），因为电子空穴对易于在粗糙表面复空穴对易于在粗糙表面复合而消失。合而消失。6.4.1 磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性1. 磁

25、敏二极管的结构磁敏二极管的结构 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 41+ 图图7-17 磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图（a）结构）结构 （b）符号）符号P+N+I区区r区区6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 422. 磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 43当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压后，则有大量的空穴从后，则有大量的空穴从P区通过区通过I区进入区进入N区，同时也有区，同时也有大量电子注入大量电子注入P区，形成电流。只有少量电子和空穴在区，形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。区复合掉

26、。P+N+I区区r面面6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 44当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于区偏转，由于r区的电子区的电子和空穴复合速度比光滑面和空穴复合速度比光滑面I区快，因此，形成的电流因区快，因此，形成的电流因复合速度而减小。复合速度而减小。P+N+I区区r面面H+6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 45当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向受到洛仑兹力的作用而向I区偏移，由于电子和空穴复区偏移，由

27、于电子和空穴复合率明显变小，因此，电流变大。合率明显变小，因此，电流变大。 P+N+I区区r面面H-6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 46利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。于是就实现磁电转换。 （a） （b） （c）图图7-18 磁敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图P+N+I区区r面面P+N+I区区r面面H+P+N+I区区r面面H-6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 47 3. 磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性（1）磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极管输出的）磁电特性：在给定的条件下，磁敏二极管

28、输出的电压变化与外加磁场的关系。电压变化与外加磁场的关系。（a）单只使用）单只使用 （b）互补使用）互补使用B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/VB / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/V6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 48（2）伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系）伏安特性：磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系不同磁场强度不同磁场强度H作用下，磁敏二极管伏安特性不同作用下，磁敏二极管伏安特性不同例例:锗磁敏二极管的伏安特性。

29、锗磁敏二极管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2 U(V)I(mA)6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 49硅磁敏二极管的伏安特性硅磁敏二极管的伏安特性(a)I（mA)312450 246 8 10 12U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)312450 246 8 10 12U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 50（3）温度特性：在标准测试条件下，输出电压变化量）温度特性：在标准测试条件下，输出电压变化量随温度的变化。随温度的变化。一般比较大。实际使用必须进行温度补偿。硅管的使

30、一般比较大。实际使用必须进行温度补偿。硅管的使用温度是用温度是-40C85C，锗管是，锗管是-4065C。T/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20-5-4-3-2-1IUI/mAU/V6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 51图图7-23 温度补偿电路温度补偿电路ERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的补偿电路常用的补偿电路:6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 521. 磁敏三极管的结构与工作原理磁敏三极管的结构与工作原理在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成型本征半导体上用合金法或扩散法

31、形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的二极管，有高复合速率的r区和本征区和本征I区。长基区分为输区。长基区分为输运基区和复合基区。运基区和复合基区。6.4.2 磁敏三极管的工作原理和主要特性磁敏三极管的工作原理和主要特性(a)结构结构 ( b)符号符号bcecN+eH-H+bIrN+P+6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 53当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，形成基极

32、电流，少数载流子输入少数载流子输入到到c极。因而形成基极。因而形成基极电流大于集电极极电流大于集电极电流的情况，使电流的情况，使l。工作原理工作原理:N+N+eP+xIrbcy6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 54 当受到正向磁场当受到正向磁场(H+)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场降，当反向磁场(H-)作用时，在作用时，在H-的作用下，载流子向的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。N+N+eP+xrbycIN+

33、N+eP+xIrbcH-y6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 55图图7-25 磁敏三极管工作原理磁敏三极管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a） (b) (c)由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电由此可知、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。这样就可以利用磁敏三极管来测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、位移等物理量。量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 56与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三与普通晶体管的伏安特性曲线类似。

34、由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于极管的电流放大倍数小于1。(1) 伏安特性伏安特性2. 磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)为不受磁场作用时为不受磁场作用时(2)磁场为磁场为 1kGs 基极为基极为3mA6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 57(2) 磁电特性磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为磁敏三极管的

35、磁电特性是应用的基础，右图为国产国产NPN型型3BCM(锗锗)磁敏三极管磁敏三极管的磁电特性，在的磁电特性，在弱磁场作用下，弱磁场作用下，曲线接近一条直线。曲线接近一条直线。-3 -2 -1 1 2 3 4 5B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.1 图图7-27 3BCM 磁敏三极管的磁电特性磁敏三极管的磁电特性 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 58(3) 温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。对于锗磁敏三极管如度补偿。对于锗磁敏三极管如3ACM、3BCM，其磁，其磁灵敏度的温度系数为灵敏度的

36、温度系数为0.8/0C；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为磁灵敏度的温度系数为-0.6/0C 。因此，实际使用时。因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。必须对磁敏三极管进行温度补偿。 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 59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。对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数

37、的数的普通硅三极管普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。漂移。ECR1AmAV1VmReR2补偿电路补偿电路(a) 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 60利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。WVmU0EC补偿电路补偿电路( b) 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 61下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管

38、组下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe补偿电路补偿电路 ( c)6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 62（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锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。 （5）磁灵敏度）磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度h+和负向灵敏度和负向灵敏度h-两种。其定义如下：

39、两种。其定义如下：T/%BIIIhCCCB10000 6.4 磁敏二极管和磁敏三级管 636.5.1 霍尔式传感器的典型应用霍尔式传感器的典型应用例例6-1 检测磁场检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。度成线性正比的电压。6.5 磁敏式传感器的应用 64例例6-2 霍尔位移传感器霍尔位移传感器6.5 磁敏式传感器的应用

40、 65将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从部磁场方向向下，从 a端通入电流端通入电流I，根据霍尔效应，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c、d两端电势为两端电势为VH1VH2。如果。如果霍尔元件在初始位置时霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。电压，其大小正比于位移量。6.5 磁敏式传感器的应用 66例例6-3 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 图图7-30 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢压力压力P波登管波登管N SS N6.5 磁敏式传感器的应用 67例例6-4 霍尔转速传感器霍尔转速传感器图图7-31 霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构输入轴输入轴输入轴输入轴霍尔传感器霍尔传感器（a） （b） 6.5 磁敏式传感器的应用 68例例6