第6章磁电式传感器机工社张玉莲版

1、第6章 磁电式传感器 2022-2-31第6章 磁电式传感器 2022-2-32学习目的学习目的掌握霍尔传感器的工作原理与特性，掌握霍尔传感器的工作原理与特性， 熟悉霍尔传感器件熟悉霍尔传感器件了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元 件的工作原理和特性件的工作原理和特性第6章 磁电式传感器 2022-2-336.1 概述概述6.2 霍尔式传感器的工作原理与特性霍尔式传感器的工作原理与特性6.3 磁敏传感器磁敏传感器 6.4 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用 本章小结本章小结复习思考题复习思考题主要内容返回主目录返回主目录第6章 磁电式传感器 2022-2-346.

2、1 概述 磁电感应式传感器是通过磁电感应式传感器是通过磁电转换磁电转换将被测非电量（如振动、位移、速度将被测非电量（如振动、位移、速度等）转换成等）转换成电信号电信号的一种传感器。的一种传感器。 18201820年年奥斯特首次通过实验发现电流的磁效应。奥斯特首次通过实验发现电流的磁效应。18311831年英国物理学家法年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律。根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产拉第发现电磁感应定律。根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。最简单的把磁信号转换为电信生与磁通变化速率成正比的感应电动势。最简单的把磁信号转换为电信号的磁电传感器就

3、是号的磁电传感器就是线圈线圈。随着科技发展，现代磁电传感器已向固体化。随着科技发展，现代磁电传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用在被测物上，使物质的电性能发生变化的物理发展，它是利用磁场作用在被测物上，使物质的电性能发生变化的物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。 磁电式传感器的种类较多，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性磁电式传感器的种类较多，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。本章主要介绍也不相同。本章主要介绍霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管晶体管等常用半导体磁传感器的原理

4、、特性和应用。等常用半导体磁传感器的原理、特性和应用。第6章 磁电式传感器 2022-2-35 1879 1879 年，美国物理学家年，美国物理学家霍尔霍尔经过大量的实验发现：经过大量的实验发现：如果让恒定电流通过如果让恒定电流通过金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势场强度成正比的电动势。这个现象后来被人们称为。这个现象后来被人们称为霍尔效应霍尔效应。但是由于。但是由于这种效应在这种效应在金属中非常微弱金属中非常微弱，当时并没有引起人们的重视。，当时并没有引起人们的重视。1948 194

5、8 年以后，年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了并制成了砷化稼、锑化铟、硅、锗砷化稼、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。等材料的霍尔元件。 用霍尔元件做成的传感器称为用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器霍尔传感器。霍尔传感器可以做得很小。霍尔传感器可以做得很小（几个平方毫米），可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将它卡在环（几个平方毫米），可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将它卡在环形铁心中，可以制成大电流传感器。它还广泛用于无刷电动机、高斯计、形铁心中，可以制成大电流传感器。它还广泛用于无

6、刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量等。它的最大特点是非接触测量。其它类型的磁接近开关、微位移测量等。它的最大特点是非接触测量。其它类型的磁电感应式传感器很多，常用的有磁敏电阻与磁敏传感器等。磁敏电阻一电感应式传感器很多，常用的有磁敏电阻与磁敏传感器等。磁敏电阻一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测或在交流变换器、频率变换器、功般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测或在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、移位电压变换器等电路中作控制元件，还可用于接近开率电压变换器、移位电压变换器等电路中作控制元件，还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器关、磁卡文字识别、磁电编

7、码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器用。用。 磁敏二极管和磁敏晶体管多用于检测弱磁磁场，无触点开关，位移磁敏二极管和磁敏晶体管多用于检测弱磁磁场，无触点开关，位移测量，转速测量等。测量，转速测量等。返回本章目录返回本章目录第6章 磁电式传感器 2022-2-366.2 霍尔传感器的工作原理与特性6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。利用霍

8、尔。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。所产生的电动势称为霍尔电势。效应制成的元件称为霍尔传感器。所产生的电动势称为霍尔电势。 如图如图6-16-1所示，在长、宽、高分别为所示，在长、宽、高分别为L L 、 W W 、 H H的半导体薄片的相对两侧的半导体薄片的相对两侧a a、b b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B B。设图中的材料是。设图中的材料是N N型半导体，导电型半导体，导电的载流子是的载流子是电子电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c c侧指向侧指向d d侧方侧方向力的作用，这个力就是向力

9、的作用，这个力就是洛仑兹力洛仑兹力。洛仑兹力用表示，大小为：。洛仑兹力用表示，大小为： LFq Bv电子电荷量电子电荷量载流子的载流子的运动速度运动速度磁感应磁感应强度强度图图6-16-1第6章 磁电式传感器 2022-2-37 在洛仑兹力的作用下，电子向在洛仑兹力的作用下，电子向d d侧偏转，使该侧形成侧偏转，使该侧形成负电荷的积累负电荷的积累，c c侧则形成侧则形成正电荷的积累正电荷的积累。这样，。这样，c c、d d两端面因电荷积累而建立了一个电场两端面因电荷积累而建立了一个电场 , ,称为称为霍霍尔电场尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积。该电场对电子的

10、作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力（累。当电场力（ ）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有 图图6-1 6-1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件HEHHFqEHqEq B所以霍尔电场的强度为所以霍尔电场的强度为HEB（6-2）在在c c与与d d两侧面间建立的电动两侧面间建立的电动势差称为霍尔电势，用表示势差称为霍尔电势，用表示HUHHHUE WUBW或当材料中的电子浓度为当材料中的电子浓度为n时时（6-3）/()InqHW1HIUBWBWIBnqHWnqH第6章 磁电式传感器 2022-2-38 设设 -霍尔系数，

11、得霍尔系数，得 设设 -霍尔灵敏度，则霍尔灵敏度，则1HIUBWBWIBnqHWnqH1HRnq（6-5）HHRKHHHHRUIBK IBH反映材料霍尔效反映材料霍尔效应的强弱，是由应的强弱，是由材料性质所决定材料性质所决定的一个常数大小的一个常数大小 霍尔灵敏度，它表霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在单位示霍尔元件在单位控制电流和单位磁控制电流和单位磁感应强度时产生的感应强度时产生的霍尔电势的大小霍尔电势的大小 HHRUIBH（6-6）第6章 磁电式传感器 2022-2-39霍耳电势与材料的关系通过以上分析，可以看出通过以上分析，可以看出 霍耳电压霍耳电压U UH H大小与材料的性质有关。一般来说

12、，金属材料大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n n较大，导致较大，导致R RH H和和K KH H变小，变小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N N型半导体型半导体材料。材料。 R RH H=1/nq=1/nq 霍耳电压霍耳电压U UH H与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：1 1）根据式）根据式 ，H H愈小，愈小，K KH H愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。但度都比较薄。但H H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄

13、。太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。2）元件的长宽比对元件的长宽比对U UH H也有影响。也有影响。L/WL/W加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但如加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但如果果L/WL/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使U UH H下降，通常要对式（下降，通常要对式（6-66-6）加以形状效应修正：加以形状效应修正： (6-7(6-7） 式（式（6-76-7）中，）中， 为形状效应系数，其修正值如下表所示。为形状效应系数，其修正值如下表所示。通常取通常取HHHRUIBK IBH/2L W )/(WLfL/W

14、0.51.01.52.02.53.04.0f f(L/W)(L/W)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996( /)HHUK IBf L W第6章 磁电式传感器 2022-2-310霍耳电势与材料的关系3 3） 霍耳电压霍耳电压U UH H与控制电流及磁场强度有关。根据式与控制电流及磁场强度有关。根据式 U UH H正比于正比于I I及及B B。当控制电流恒定时，。当控制电流恒定时，B B愈大，愈大，U UH H愈大。愈大。当磁场改变方向时，当磁场改变方向时，U UH H也改变方向。同样，当霍耳也改变方向。同样，当霍耳灵敏度灵敏度K KH H及磁感应强度及磁感应强

15、度B B恒定时，增加控制恒定时，增加控制I,I,也可以也可以提高霍耳电压的输出。但提高霍耳电压的输出。但电流不宜过大电流不宜过大，否则，否则，会会烧坏霍耳元件烧坏霍耳元件。HHHRUIBK IBH第6章 磁电式传感器 2022-2-3116.2.2 霍尔元件的结构和主要参数 霍尔元件是一种霍尔元件是一种四端型器件四端型器件，如图，如图6-26-2所示，它由霍尔片、所示，它由霍尔片、4 4根引线和根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mm4mm 2mm2mm 0.1 mm 0.1 mm。通常为红色的两个引线。通常为红色的

16、两个引线A A、B B 为控制电流，为控制电流， C C、D D 两个两个绿色引线为霍尔电势输出线。绿色引线为霍尔电势输出线。图图6-2 6-2 霍尔元件霍尔元件第6章 磁电式传感器 2022-2-312主要特征参数主要特征参数（1 1）额定控制电流）额定控制电流I I ：使霍尔片温升：使霍尔片温升1010所施加的控制电流值。所施加的控制电流值。（2 2）输入电阻）输入电阻 ：指控制电极间的电阻值。：指控制电极间的电阻值。（3 3）输出电阻）输出电阻 ：指霍尔电势输出极之间的电阻值。：指霍尔电势输出极之间的电阻值。（4 4）最大磁感应强度）最大磁感应强度 ：磁感应强度超过：磁感应强度超过 时，

17、霍尔电势的非时，霍尔电势的非线性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。线性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。iRORmBmB第6章 磁电式传感器 2022-2-313（5 5）不等位电势不等位电势：在额定控制电流下，：在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势。它间的开路电压称为不等位电势。它是由于四个电极的几何尺寸不对称是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，如图引起的，如图6-36-3所示。使用时多所示。使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。的误差。图图6-3 6-3 霍尔元件的不等位

18、电势霍尔元件的不等位电势（6 6）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数：在磁感应：在磁感应强度及控制电流一定清况下，温度强度及控制电流一定清况下，温度变化变化l l 相应霍尔电势变化的百分相应霍尔电势变化的百分数。它与霍尔元件的材料有关，一数。它与霍尔元件的材料有关，一般为般为0.10.1/左右。在要求较高场左右。在要求较高场合，应选择低温漂的霍尔元件。合，应选择低温漂的霍尔元件。第6章 磁电式传感器 2022-2-3146.2.3 集成霍尔传感器将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成

19、传感器。有些霍尔传感器的外形与传感器。有些霍尔传感器的外形与DIP DIP 封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。类型：分为类型：分为线性型霍尔传感器线性型霍尔传感器和和开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器。1 1、霍尔线性集成传感器、霍尔线性集成传感器这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双端输力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双

20、端输出（差动输出）两种电路，如图出（差动输出）两种电路，如图6-4 6-4 所示。所示。图图6-4 6-4 线形霍尔集成传感器结构线形霍尔集成传感器结构第6章 磁电式传感器 2022-2-3152. 开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、放大开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和开关输出等部分组器、施密特整形电路和开关输出等部分组成，其内部结构框图如图成，其内部结构框图如图6-56-5所示。当有所示。当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电势，据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电势，该电压经放大

21、器放大后，送至施密特整形该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的霍尔电势大于电路。当放大后的霍尔电势大于“开启开启” ” 阈值时，施密特阈值时，施密特电路翻转电路翻转，输出，输出高电平高电平，使晶体管使晶体管导通导通，整个电路处于开状态。当，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值仍经放大器放大后其值仍小于施密特的小于施密特的“关关闭闭”阈值时阈值时，施密特整形器又翻转，输出，施密特整形器又翻转，输出低电平低电平，使，使晶体管截止晶体管截止，电路处于，电路处于关状态关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器这

22、样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。完成一次开关动作。图图6-5 6-5 霍尔开关集成传感器内霍尔开关集成传感器内部结构框图部结构框图第6章 磁电式传感器 2022-2-316第6章 磁电式传感器 2022-2-317 霍耳元件其他符号及代号霍耳元件其他符号及代号国产器件常用H代表霍耳元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍耳元件；HT-1元件，说明是用锑化铟（InSb）材料制成的元件。 II返回本章目录返回本章目录第6章 磁电式传感器 2022-2-3186.3 磁敏传感器6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻1. 1. 磁

23、阻效应磁阻效应 磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。将一载流导体置于外磁场中，除磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场变化电阻也会随磁场变化，这种现象称为，这种现象称为磁阻效应磁阻效应。 在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图6-8a6-8a所示。当磁场垂直作用所示。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角角 ，如图，如图6-8b6-8

24、b所示。这使电流流通的所示。这使电流流通的途径变长途径变长，导致元件两端金属电极间的，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。电极间的距离越长，电阻的增长比例就越大，所以在磁阻元件的结电阻值增大。电极间的距离越长，电阻的增长比例就越大，所以在磁阻元件的结构中，大多数是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金属电极和金属边界。构中，大多数是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金属电极和金属边界。图图6-8 6-8 磁阻元件工作原理示意图磁阻元件工作原理示意图第6章 磁电式传感器 2022-2-319磁阻效应的表达式磁阻效应的表达式 当温度恒定，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度的平方成正比。当温度恒定，

25、在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单情况，理论推出磁阻效应的表达对于只有电子参与导电的最简单情况，理论推出磁阻效应的表达式为式为)273. 01 (220BB磁感应磁感应强度强度电子迁电子迁移率移率磁感应强磁感应强度为度为B时的时的电阻率电阻率（6-8） 设电阻率的变化为设电阻率的变化为0B则电阻率的相对变化为则电阻率的相对变化为 2220/0.273()BkB （6-9） 由上式可知，磁场一定，由上式可知，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显迁移率高的材料磁阻效应明显。InSbInSb（锑化铟）和和InAsInAs（砷化铟）砷化铟）等半导体的载流子迁移率

26、都很高，更适合等半导体的载流子迁移率都很高，更适合于制作磁敏电阻于制作磁敏电阻。第6章 磁电式传感器 2022-2-3202. 磁敏电阻的形状 磁阻效应除与材料有关外，还与磁阻器件的几何形状及尺寸密切相关磁阻效应除与材料有关外，还与磁阻器件的几何形状及尺寸密切相关 在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长与宽的比越小，电阻率的相对变在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长与宽的比越小，电阻率的相对变化越大。考虑到形状影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移化越大。考虑到形状影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可用下式近似表示率的关系可用下式近似表示 （6-106-10） 式中式中 形状效应系数

27、，形状效应系数，L L, ,b b分别为磁阻器件的长度和宽度。分别为磁阻器件的长度和宽度。 除长方形磁阻器件外，还有圆盘形磁阻器件，其中心和边缘各有一个除长方形磁阻器件外，还有圆盘形磁阻器件，其中心和边缘各有一个电极，如图电极，如图6-9 6-9 所示。这种圆盘形磁阻器件称为所示。这种圆盘形磁阻器件称为科尔比诺圆盘科尔比诺圆盘。这时。这时的效应称的效应称科尔比诺效应科尔比诺效应。因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成。因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。圆盘结构。)/(1 )(/20blfBk)/(blf图图6-9 6-9 磁敏电阻的形状磁敏电阻的形状第6章 磁电式传感器 2022

28、-2-321磁阻元件第6章 磁电式传感器 2022-2-3223. 磁敏电阻的基本特性(1)B-R(1)B-R特性。它由特性。它由无磁场时的电无磁场时的电阻和磁感应强度阻和磁感应强度B B时的电阻时的电阻来来表示。随元件形状不同而异，表示。随元件形状不同而异，约为数十欧至数千欧，随磁约为数十欧至数千欧，随磁感应强度变化而变化。图感应强度变化而变化。图6-6-1010为磁敏电阻的特性曲线。为磁敏电阻的特性曲线。在在0.1T0.1T以下的弱磁场中，曲以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过线呈现平方特性，而超过0.1T0.1T后呈现线性变化。后呈现线性变化。图图6-10 6-10 磁敏电阻的磁敏电

29、阻的B-RB-R特性特性第6章 磁电式传感器 2022-2-323（2 2）灵敏度）灵敏度K K 磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：磁敏电阻的灵敏度可由下式表示： （6-116-11）式中式中 磁感应强度为磁感应强度为0.3T0.3T时的值；时的值； 无磁场时的电阻值。无磁场时的电阻值。一般情况下，磁敏电阻的灵敏度一般情况下，磁敏电阻的灵敏度K2.7K2.7。（3 3）温度系数）温度系数 磁敏电阻的温度系数约为磁敏电阻的温度系数约为-2-2/，这个值较大。，这个值较大。为补偿磁敏电阻的温度特性，可采用两个元件串联成对使用，为补偿磁敏电阻的温度特性，可采用两个元件串联成对使用，用差动方式工作。用差动

30、方式工作。30KRR3R0R第6章 磁电式传感器 2022-2-3246.3.2 6.3.2 磁敏二极管磁敏二极管 磁敏二极管是一种磁电转换的元件，可以将 磁信息转换成电信号.特点：具有体积小、灵敏度高、响应快、无 触点、输出功率大及性能稳定等特点。应用：它可广泛应用于磁场的检测、磁力探 伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触 点开关和无刷直电流电机等许多领域。 第6章 磁电式传感器 2022-2-3251. 磁敏二极管的结构 磁敏二极管是磁敏二极管是PNPN 结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，结构如图结构如图6-116

31、-11所示。在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的所示。在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两型两个区域，在个区域，在P P、N N 之间有一个较长的之间有一个较长的本征区本征区I I ，本征区，本征区I I 的一面磨成光滑的复合的一面磨成光滑的复合表面（为表面（为I I 区），另一面打毛，成为区），另一面打毛，成为高复合区高复合区（r r 区），因为电子区），因为电子- -空穴对易于空穴对易于在在粗糙表面复合而消失粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在。当通以正向电流后就会在P P、I I、N N 结之间形成电流。由结之间形成电流。由此可知，此可知，磁敏二

32、极管是磁敏二极管是PIN PIN 型型的。的。与普通二极管区别：普通二极管与普通二极管区别：普通二极管PNPN结的基区结的基区很短很短，以避免载流子在基，以避免载流子在基区复合，磁敏二极管的区复合，磁敏二极管的PNPN结却有结却有很长的基区很长的基区，大于载流子的扩散长度，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。但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成。图图 6-11 6-11 磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图c) 外形外形第6章 磁电式传感器 2022-2-3262. 工作原理 磁敏二极管在磁敏二极管在磁场强度磁场强度的变化下，其的变化下，其电流电流发生变化，发生

33、变化，于是就实现于是就实现磁电转换磁电转换。且。且I I区和区和r r区的复合能力之差越区的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。大，磁敏二极管的灵敏度就越高。 图图6-12 6-12 磁敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图第6章 磁电式传感器 2022-2-3273. 磁敏二极管的主要特性（1 1）磁电特性磁电特性：在给定条件下，磁敏二极管：在给定条件下，磁敏二极管的的输出电压输出电压变化量与变化量与外加磁场外加磁场间的变化关系。间的变化关系。图图6-136-13给出磁敏二极管单个使用和互补使用给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。时的磁电特性曲线。图图6-13

34、6-13 磁敏二极管磁电特性曲线磁敏二极管磁电特性曲线正向磁灵正向磁灵敏度大于敏度大于反向反向互补使用时，正、互补使用时，正、反向磁灵敏度曲反向磁灵敏度曲线对称，且在弱线对称，且在弱磁场下有较好的磁场下有较好的线性线性第6章 磁电式传感器 2022-2-328（2）伏安特性 在给定磁场情况下，在给定磁场情况下，磁敏二极管两端磁敏二极管两端正向正向偏压偏压和和通过它的电流通过它的电流的关系曲线。如图的关系曲线。如图6-6-1414所示。不同种类的所示。不同种类的磁敏二极管伏安特性磁敏二极管伏安特性也不同。也不同。图图6-14 6-14 磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线第6章 磁电式传

35、感器 2022-2-329（3）温度特性 一般情况下，磁敏二极管受温度的影响一般情况下，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，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。硅磁敏二极管也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下在标准测试条件下 的温度系数小于的温度系数小于20mV20mV， 的温度系数小于的温度系数小于0.6%/0.6%/。而锗磁敏二极管。而锗磁敏二极管 的温度的温度系数小于系数小于-60mV-60mV， 的温度系数小的温度系数小于于1.5%/1.5%/。所以，规定硅管的使用温。所以，规定硅管的使用温度为度为-40-408585，而锗管则

36、现定为，而锗管则现定为- -40406565。 指在标准测试条件下，指在标准测试条件下，输出电压变化量输出电压变化量（或无磁场作用时输出电压）随（或无磁场作用时输出电压）随温度变化温度变化的规律，如图的规律，如图6-156-15所示。所示。图图6-15 6-15 磁敏二极管温度特性磁敏二极管温度特性0uu0uu第6章 磁电式传感器 2022-2-330（ 4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎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。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命

37、相当。硅管的响应时间小于寿命相当。硅管的响应时间小于 ，即响应频率高达，即响应频率高达1MHz1MHz。锗。锗磁敏二极管的响应频率小于磁敏二极管的响应频率小于10kHz,10kHz,如图如图6-166-16所示。所示。1 S图图6-16 6-16 锗磁敏二极管频率特性锗磁敏二极管频率特性第6章 磁电式传感器 2022-2-3316.3.3 磁敏晶体管 1. 磁敏晶体管的结构磁敏晶体管的结构磁敏晶体管的结构和符号如图磁敏晶体管的结构和符号如图6-176-17所示。所示。NPNNPN型磁敏晶体管是在弱型磁敏晶体管是在弱P P型近本征半导体上，型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结用合金法或扩

38、散法形成三个结即即发射结、基极结、集电结发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。其所形成的半导体元件。其最大特点是最大特点是基区较长基区较长，在长基区的侧面制成一个复合率很高的，在长基区的侧面制成一个复合率很高的高复合区高复合区 。在。在 区区的对面保持光滑的无复合的镜面的对面保持光滑的无复合的镜面I I区，长基区分为输运基区和复合基区两部分。区，长基区分为输运基区和复合基区两部分。图图6-17 6-17 磁敏晶体管结构与符号磁敏晶体管结构与符号rr c) 磁敏晶体管外形磁敏晶体管外形第6章 磁电式传感器 2022-2-332 2. 工作原理磁敏晶体管的基区宽度磁敏晶体管的基区宽度大于载流子

39、有效扩散长大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极除少部分输入到集电极外，外，大部分通过大部分通过e-I-b 而而形成基极电流形成基极电流当受到正向磁场作用当受到正向磁场作用时，由于洛仑兹力作时，由于洛仑兹力作用，载流子向用，载流子向发射结发射结一侧偏转一侧偏转，从而使，从而使集集电极电流明显下降电极电流明显下降当受反向磁场作用时，当受反向磁场作用时，载流子在洛仑兹力作载流子在洛仑兹力作用下，向用下，向集电结一侧集电结一侧偏转偏转，使，使集电极电流集电极电流增大增大由此可以看出，磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或由此可以看出，磁敏晶体管工作

40、原理与磁敏二极管完全相同。在正向或反向磁场作用下，会引起反向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加集电极电流的减少或增加。因此，可以用磁场。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的增方向控制集电极电流的增加或减少，用磁场的强弱控制集电极电流的增加或减少的变化量。加或减少的变化量。图图6-18 6-18 磁敏晶体管工作原理示意图磁敏晶体管工作原理示意图第6章 磁电式传感器 2022-2-3333. 磁敏晶体管的主要特性（1 1）磁电特性磁电特性: : 磁电特性是磁敏磁电特性是磁敏晶体管最重要的工作特性之一。晶体管最重要的工作特性之一。例如，国产例如，国产NP

41、NNPN型型3BCM3BCM锗磁敏晶锗磁敏晶体管的磁电特性曲线如图体管的磁电特性曲线如图6-196-19所所示。在弱磁场作用下，曲线接近示。在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。一条直线。图图6-19 3BCM6-19 3BCM的磁电特性的磁电特性第6章 磁电式传感器 2022-2-334（2）伏安特性磁敏晶体管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图磁敏晶体管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图6-20a6-20a为不受磁场作为不受磁场作用时磁敏晶体管的伏安特性曲线用时磁敏晶体管的伏安特性曲线图图6-20b6-20b给出了磁敏晶体管在基极恒流条件下（给出了磁敏晶体管在基极恒流条件下（ ）

42、集电极电流的变化）集电极电流的变化 的特性曲线。的特性曲线。mAIB3图图6-20 6-20 磁敏晶体管伏安特性曲线磁敏晶体管伏安特性曲线第6章 磁电式传感器 2022-2-335（3）温度特性 磁敏晶体管对温度也是敏感的。磁敏晶体管对温度也是敏感的。 3ACM3ACM、3BCM3BCM磁敏晶体管的温度系数为磁敏晶体管的温度系数为0.80.8/；3CCM3CCM磁敏晶体管磁敏晶体管的温度系数为的温度系数为-0 .6-0 .6/。3BCM3BCM的温度特性曲线如图的温度特性曲线如图6-216-21所示。所示。 图图6-21 3BCM6-21 3BCM磁敏晶体管的温度特性磁敏晶体管的温度特性返回本

43、章目录返回本章目录第6章 磁电式传感器 2022-2-3366.4 磁电式传感器的应用6.4.1 6.4.1 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 特点：霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性特点：霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频带宽。度好、频带宽。 应用：用于测量磁感应强度、电功率、电能、大电流、微气隙中应用：用于测量磁感应强度、电功率、电能、大电流、微气隙中的磁场；的磁场； 用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机； 用于无触点发信，做接近开关、霍尔电键；用于制成乘、除、平用于无触点发信，做接近开关、霍尔电键；用于制成乘、除、平方

44、、开方等计算元件；方、开方等计算元件； 用于制作微波电路中的环行器、隔离器等等。至于再经过二次转用于制作微波电路中的环行器、隔离器等等。至于再经过二次转换或多次转换、用于非磁量的检测和控制，霍尔元件的应用领域换或多次转换、用于非磁量的检测和控制，霍尔元件的应用领域就更广泛了，如测量微位移、转速、加速度、振动、压力、流量、就更广泛了，如测量微位移、转速、加速度、振动、压力、流量、液位等等。液位等等。第6章 磁电式传感器 2022-2-337把探头放在待测磁场中，探头的磁把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面要与磁场方向垂直。控制电敏感面要与磁场方向垂直。控制电流由恒流源（或恒压源）供给，用流由恒流

45、源（或恒压源）供给，用电表或电位差计来测量霍尔电动势。电表或电位差计来测量霍尔电动势。根据根据 ，若控制电流，若控制电流不变，则霍尔输出电动势正比于磁不变，则霍尔输出电动势正比于磁场场. .HHUK IB1.磁场测量（微磁场测量）第6章 磁电式传感器 2022-2-338第6章 磁电式传感器 2022-2-3392. 电流测量（电流计） 由霍尔元件构成的电流传感器具有测量为由霍尔元件构成的电流传感器具有测量为非接触式、测量精度高、不必切断电路电非接触式、测量精度高、不必切断电路电流、测量的频率范围广（从零到几千赫流、测量的频率范围广（从零到几千赫兹）、本身几乎不消耗电路功率等特点。兹）、本身几

46、乎不消耗电路功率等特点。 根据根据安培定律安培定律，在载流导体周围将产生一，在载流导体周围将产生一正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量这一磁场，可得到一正比于该磁场的这一磁场，可得到一正比于该磁场的霍尔霍尔电动势电动势。通过测量霍尔电动势的大小来间。通过测量霍尔电动势的大小来间接测量电流的大小，这就是霍尔钳形电流接测量电流的大小，这就是霍尔钳形电流表的基本测量原理。如图表的基本测量原理。如图6-236-23。图图6-23 6-23 霍尔元件测量电流霍尔元件测量电流第6章 磁电式传感器 2022-2-340第6章 磁电式传感器 2022-2-341第6章 磁电

47、式传感器 2022-2-342第6章 磁电式传感器 2022-2-3433. 霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性形霍尔器件及磁路齿轮，将线性形霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的路的磁阻磁阻随随气隙气隙的改变而周期性的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后就冲信号经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。如图可以确定被测物的转速。如图6-6-2424所示。转速计算公式为：所示。转速计算公式为：图图6

48、-24 6-24 霍尔转速表霍尔转速表zfn60齿盘齿盘的齿的齿数数输出输出脉冲脉冲数数转速转速（转（转/ /分）分）第6章 磁电式传感器 2022-2-344案例：案例：汽车汽车速度测量速度测量磁力线磁力线集中集中穿过霍尔穿过霍尔元件，产生较大的霍元件，产生较大的霍尔电势，经放大整形尔电势，经放大整形后输出后输出高电平高电平磁力线磁力线分散分散，霍尔元霍尔元件产生的霍尔电势较件产生的霍尔电势较小，经放大整形后输小，经放大整形后输出出低电平低电平第6章 磁电式传感器 2022-2-3454. 角位移测量仪 当当 不同时，霍尔电势不同时，霍尔电势 也不也不同。霍尔角位移测量仪结构如图同。霍尔角位

49、移测量仪结构如图6-246-24所示。霍尔器件与被测物连所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电势就反磁场中转动，于是霍尔电势就反映了转角映了转角 的变化。不过，这个的变化。不过，这个变化是非线性的（变化是非线性的（ 正比正比于于 ) ) ，若要求，若要求 与与 成线成线性关系，必须采用特定形状的磁性关系，必须采用特定形状的磁极。极。当霍尔元件与磁场方向不垂直，而是与其法线成某一角度时，这时霍当霍尔元件与磁场方向不垂直，而是与其法线成某一角度时，这时霍尔电势尔电势（6-136-13）cosHHUK IBHU图图6-25 6-25 角

50、位移测量仪角位移测量仪HUcosHU第6章 磁电式传感器 2022-2-346将霍耳元件置于永久磁铁的磁场中。其霍耳元件的输出与成正比，即 sinIBKUHH霍耳传感器用于角度检测第6章 磁电式传感器 2022-2-3475. 接近开关 当霍尔元件通以恒定的控制电流，且有当霍尔元件通以恒定的控制电流，且有磁体近距离接磁体近距离接近霍尔元件然后再离开近霍尔元件然后再离开时，元件的霍尔输出将发生显时，元件的霍尔输出将发生显著变化，输出一个著变化，输出一个脉冲霍尔电势脉冲霍尔电势。利用这种特性可进。利用这种特性可进行行无触点发信无触点发信。这种情况下，对霍尔元件本身的线性。这种情况下，对霍尔元件本身

51、的线性和温度稳定性等要求不高，只要有足够大的输出即可。和温度稳定性等要求不高，只要有足够大的输出即可。另外，作用于霍尔元件的磁感应强度变化值，仅与磁另外，作用于霍尔元件的磁感应强度变化值，仅与磁体和元件的相对位置有关，与相对运动速度无关，这体和元件的相对位置有关，与相对运动速度无关，这就使发信装置的结构既简单又可靠。就使发信装置的结构既简单又可靠。 霍尔无触点发信可广泛用于精确定位、导磁产品计数、霍尔无触点发信可广泛用于精确定位、导磁产品计数、转速测量、接近开关和其他周期性信号的发信。转速测量、接近开关和其他周期性信号的发信。第6章 磁电式传感器 2022-2-348 图图6-26 6-26

52、各种常见霍尔接近开关示意图各种常见霍尔接近开关示意图第6章 磁电式传感器 2022-2-3496. 功率测量因此，可利用霍尔元件进行因此，可利用霍尔元件进行直流功率直流功率测量。该电路测量。该电路适用于适用于直流大功率的测量直流大功率的测量， 为负载电阻，指示仪为负载电阻，指示仪表一般采用功率刻度的伏特表，霍尔元件采用表一般采用功率刻度的伏特表，霍尔元件采用 N N 型型锗材料元件较为有利。其测量误差一般小于锗材料元件较为有利。其测量误差一般小于1 1。这。这种功率测量方法有下列种功率测量方法有下列优点优点：由于霍尔电势正比于：由于霍尔电势正比于被测功率，因此可以做成直读式功率计；功率测量被测

53、功率，因此可以做成直读式功率计；功率测量范围可从微瓦到数百瓦；装置中设有转动部分，输范围可从微瓦到数百瓦；装置中设有转动部分，输出和输入之间相互隔离，稳定性好，精度高，结构出和输入之间相互隔离，稳定性好，精度高，结构简单，体积小，寿命长，成本低廉。简单，体积小，寿命长，成本低廉。图图6-27 6-27 直流功率计电路直流功率计电路图图6-256-25是直流功率计电路。若外加磁场正比于外加电压，表示为是直流功率计电路。若外加磁场正比于外加电压，表示为则霍尔电势为则霍尔电势为（6-146-14）1iBkU外加外加电压电压与器件与器件及器件材料、及器件材料、结构有关的常数结构有关的常数1i1iHHH

54、HUK IBK IkUK k IUkP常数常数功率功率LR第6章 磁电式传感器 2022-2-3507. 霍尔无触点汽车电子点火器u 汽车上的蓄电池或发汽车上的蓄电池或发电机向点火系提供电能，电机向点火系提供电能，机械触点控制点火时刻，机械触点控制点火时刻，点火时刻的调节采用机械点火时刻的调节采用机械式自动调节机构，储能方式自动调节机构，储能方式为电感储能。式为电感储能。u 传统点火系结构简单，传统点火系结构简单，成本低，是一种应用较早、成本低，是一种应用较早、较普遍的点火系。但该点较普遍的点火系。但该点火系工作可靠性差，点火火系工作可靠性差，点火状况受转速、触点技术状状况受转速、触点技术状况

55、影响较大，需要经常维况影响较大，需要经常维修、调整。修、调整。 传统点火系传统点火系 第6章 磁电式传感器 2022-2-351传统点火系传统点火系 第6章 磁电式传感器 2022-2-352传统点火系传统点火系 第6章 磁电式传感器 2022-2-353u传统的汽车发动机点火装置采用机械式分电传统的汽车发动机点火装置采用机械式分电器，它由分电器转轴凸轮来控制合金触点的器，它由分电器转轴凸轮来控制合金触点的闭合来驱动火花塞一次点火。闭合来驱动火花塞一次点火。u缺点：存在点火时间不准，出点易磨损、以缺点：存在点火时间不准，出点易磨损、以烧坏，高速时动力不足等缺电。采用霍尔无烧坏，高速时动力不足等

56、缺电。采用霍尔无触点电子点火装置可以克服上述缺点，提高触点电子点火装置可以克服上述缺点，提高燃烧效率。燃烧效率。第6章 磁电式传感器 2022-2-354图图6-28 6-28 四汽缸霍尔式汽车电子点火装置示意图四汽缸霍尔式汽车电子点火装置示意图第6章 磁电式传感器 2022-2-355u 霍尔式霍尔式汽车电子点火系汽车电子点火系由内装霍尔集成块的霍尔式分电器、点火模块、火花由内装霍尔集成块的霍尔式分电器、点火模块、火花塞、点火线圈、电源、点火开关等组成。当接通点火开关时，发动机曲轴带塞、点火线圈、电源、点火开关等组成。当接通点火开关时，发动机曲轴带动分电器轴转动，信号动分电器轴转动，信号转子

57、叶片转子叶片交替穿过霍尔元件气隙，当信号转子叶片进交替穿过霍尔元件气隙，当信号转子叶片进入气隙时，霍尔信号传感器输出入气隙时，霍尔信号传感器输出11.1V11.4V的高电位，高电位信号通过电的高电位，高电位信号通过电子点火模块中的集成电路导通饱和，接通点火线圈初级电流，点火线圈铁芯子点火模块中的集成电路导通饱和，接通点火线圈初级电流，点火线圈铁芯储存磁场能；当转子叶片离开霍尔元件间隙时，霍尔信号传感器输出储存磁场能；当转子叶片离开霍尔元件间隙时，霍尔信号传感器输出0.3V0.4V的低电位，低电位信号通过电子点火模块使大功率三极管截止初级线圈的低电位，低电位信号通过电子点火模块使大功率三极管截止

58、初级线圈电流。初级线圈电流骤然消失使次级感应出大于电流。初级线圈电流骤然消失使次级感应出大于1520KV高压电，配电器将高压电，配电器将高压电按点火顺序准时地送给各工作缸火花塞是火花塞产生火花放电，完成高压电按点火顺序准时地送给各工作缸火花塞是火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过程。汽缸点火过程。第6章 磁电式传感器 2022-2-3566.4.2 磁敏电阻的应用 利用磁敏电阻的电气特性可以在外磁场的作用下改变利用磁敏电阻的电气特性可以在外磁场的作用下改变的特点，可以用来作为的特点，可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、电流传感器、磁敏接近开关、角速度角速度/ /角位移传感器、磁场传感器角位移传

59、感器、磁场传感器等。磁阻元件阻值等。磁阻元件阻值与通过电流量的大小组合起来，能够实现乘法运算的与通过电流量的大小组合起来，能够实现乘法运算的功能，可以制作出电流计、磁通计、功率计、模拟运功能，可以制作出电流计、磁通计、功率计、模拟运算器、可变电阻等。此外磁敏电阻可用于开关电源、算器、可变电阻等。此外磁敏电阻可用于开关电源、UPSUPS、变频器、伺服马达驱动器、电度表、电子仪器仪、变频器、伺服马达驱动器、电度表、电子仪器仪表、家用电器等，应用非常广泛。表、家用电器等，应用非常广泛。第6章 磁电式传感器 2022-2-357第6章 磁电式传感器 2022-2-358磁敏电位器（无触点开关） 图图6

60、-296-29是将是将 InSb-NiSb InSb-NiSb 材料制成材料制成具有中心抽头的三端环形磁阻元具有中心抽头的三端环形磁阻元件的件的无触点电位器无触点电位器。将半圆形磁。将半圆形磁钢（一种稀土永磁体）同心固定钢（一种稀土永磁体）同心固定于磁阻元件上，并与两个轴承固于磁阻元件上，并与两个轴承固定的转轴连接。随着转动轴的转定的转轴连接。随着转动轴的转动，不断地改变磁钢在圆形磁阻动，不断地改变磁钢在圆形磁阻元件上面的位置。这种无触点电元件上面的位置。这种无触点电位器实际上是一种中间抽头的位器实际上是一种中间抽头的两两臂磁阻元件臂磁阻元件的互补电路。旋转磁的互补电路。旋转磁钢改变作用于两臂