传感器及检测技术09章磁敏

1、第第9章章 磁敏式传感器磁敏式传感器9.1 霍尔传感器9.2 磁敏电阻9.3 磁敏二级管和磁敏三极管9.1 9.1 霍尔传感器霍尔传感器1.磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)。 这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。2.目前半导体磁电传感器，主要有霍尔效应传感器（Halleffect sensor）、磁敏电阻器（Semiconductive magnetoresistor）、磁敏二极管（Magnetodiode）、磁敏三极管。 主要材料有锑化铟、砷化铟、锗和硅等。3.霍尔效应

2、在半导体霍耳片的长度方向通入控制电流I，在平面法线方向外加磁场B，于是电子在磁场中受洛伦兹力，而向宽度方向偏移，因此在霍耳片两侧分别积累正负电荷并沿宽度方向产生霍耳电场。这一电场对电子产生的力阻止电子偏移。当电场力E与洛伦兹力L相平衡时，霍耳输出端电荷积累达到平衡,这就是霍耳效应。（美国物理学家霍尔于1879年发现的）电场力洛伦兹力；:ELff霍尔电极控制电极dHU：霍尔元件的灵敏度霍尔系数；dRKRIBKdIBRUHHHHHH:coscos4.霍尔元件材料 （1）锗(Ge)，N型及P型均可。 （2）硅(Si)N型及P型均可。（3）砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似

3、。6.霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标额定激励电流IH 使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。输入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测取。 输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。不等位电势及零位电阻r0 当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势(或零位电势)。 寄生直流电势 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个

4、寄生量，称为寄生直流电势V。热阻RQ 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为CmW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。5.霍尔元件的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，产量前者大于后者。霍尔器件的响应速度大约在1us 量级。一般采用恒流供电法。7.霍尔元件的补偿电路不等位电势及霍尔元件的等效电路7.霍尔元件的补偿电路（1）不等位

5、电势的补偿（2）温度补偿 分流电阻法 电桥补偿法测量电路 采用分流电阻法的温度补偿电路桥路补偿法的温度补偿电路电路输出Uo为C点和D点的电势之差，C点的输出为（UcUf），同理，D点的输出为（UdUf）；当温度上升，霍尔传感器输出变小，要保持输出Uo不变，需要Uc变小，对左边的直流电桥，R1和R2的分压不变，R3因为热敏电阻Rt变大而增加，Uf上升，C点输出（UcUf）变小，实现维持Uo不变。8.使用霍尔(HALL)器件的几个注意事项 在硅集成霍尔器件的应用中，要注意下列事项： 一、在测试及焊接过程中的注意事项防止静电烧毁按照静电的大小，可分为三类：1、第一类是所用的元器件，对静电损伤最敏感，

6、其静电电压在0-1000 伏之间，就会损坏器件。2、第二类是所用的元器件，对静电放电敏感，其静电电压为1000-4000 伏之间，在这一电压下，会损坏器件。3、第三类是所用的元器件，对静电放电不敏感，其静电电压高到4000-15000 伏，才损坏器件。 硅集成半导体霍尔开关及线性电路是属于第一类的元器件，因此很容易受静电的损坏。它在出厂时用金属纸袋包封，或是用去静电的塑料袋包封，以防止静电的损伤。但在运输过程中，由于摩擦，包装表面也会产生静电，为了防止静电损坏器件，要求在启封以后，严格导循下列程序：（一）防止静电烧毁 （二）测试过程中，对测试设备及测试方法的要求： （三）霍尔电路的焊接 二、在

7、电路装配及使用过程中的注意事项防止高压电脉冲的烧毁 三、在电路接口上的注意事项防止大电流烧毁 9.霍尔式传感器的应用举例（1）高斯计（2）电流计（3）转速计（4）霍尔式位移传感器（5）霍尔式压力传感器（1）高斯计 如图所示，将霍尔元件垂直置于磁场B中，输入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH 正比于磁感应强度B，此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。（2）电流计 如图将霍尔元件垂直置于磁环开口气隙中，让载流导体穿过磁环，由于磁环气隙的磁感应强度B与待测电流I成正比，当霍尔元件控制电流IH 一定时，霍尔输出电压UH 则正比于待测电流I，这种非接触检测安全简便，适用于高压线电流检测。（3）转速计

8、如图所示，将霍尔元件放在旋转盘的下边，让转盘上磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件；当控制电流I一定时，霍尔输出电压UH决定于磁铁的磁场。（4）霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器原理示意图（5）霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形9.1.4霍尔集成传感器HST霍尔传感器工作原理图HST霍尔传感器HST霍尔传感器常见应用接口电路HK-1型霍尔接近开关组成的计数器电路HK-1型霍尔接近开关霍尔传感器DN833驱动三极管、可控硅、继电器、CMOS电路和TTL电路霍尔传感器DN833霍尔效应测量磁场9.2 9.2 磁敏电阻磁敏电阻1.磁阻效应：当一载流导体置于磁场中时，电阻值会随磁场而变化的

9、现象。(包括物理磁阻效应与几何磁阻效应。)2.磁阻效应的表达式 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：22000273. 0B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。 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。 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。磁阻效应包括物

10、理磁阻效应与几何磁阻效应。物理磁阻效应： 长方形半导体晶片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不但产生霍尔效应，还会出现电流密度下降、电阻率增大的现象，这种现象称为物理磁阻效应。（一是材料的电阻率随磁场的增加而增加，称为磁阻率效应。） 几何磁阻效应： 在物理磁阻效应发生时，如果所选择的长方形半导体晶片的几何尺寸不同，电阻值增大也不同，则称为几何磁阻效应。（二是在磁场的作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，因而电极间电阻值增加，称为几何磁阻效应。） 把LW的扁平器件串联起来，就会制成磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。 磁阻效应与霍尔效应的区别为：霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是

11、沿电流方向的电阻变化。 磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。 霍尔效应于磁阻效应是并存的。 在制造霍尔器件时应努力减少磁阻效应的影响，而制造磁阻器件时努力避免霍尔效应（在计算公式中，互为非线性项）。 在磁阻器件应用中，温度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制备方面，磁阻器件由于与霍尔不同。 据报导磁阻器件的响应速度同霍尔1uS量级。 磁阻传感器由于工作机理不同于霍尔，因而供电也不同，而是采用恒压源（但也需要一定的电流）供电。当后续电路不同对供电电源的稳定性及内部噪声要求高低有所不同。3.磁敏电阻金属短路条：起到提高磁敏电阻灵敏度的

12、作用。 金属短路条将磁敏电阻分割为宽为b，长度满足l/b=1/0.35b。4.磁敏电阻的主要特性 （1）磁电特性（电阻变化与B的关系）磁阻元件磁场电阻特性（2）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。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。 相对灵敏度S： 是非线性的，且受温度影响大。必须根据其特性进行温度补偿。（3）温度特性（4）标称阻值和额定功率（5）频率特性5.磁

13、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。9.3 9.3 磁敏二级管和磁敏三极管磁敏二级管和磁敏三极管1.磁敏二极管的结构与工作原理 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，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

14、不同而不同。 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。 -0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.3（c）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-0.2T000U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时)U规定硅管的使用温度为-4085，而锗管则现