第9章 磁敏式传感器打印稿1

1、1 磁电式传感器是通过磁电作用将被测非电量转换成电信号的一种传感器。主要有磁电感应式传感器、磁栅式传感器和磁敏式传感器。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势，该类传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物件的速度或旋转体的角速度。 磁栅式传感器是利用磁头和磁栅相对移动，从而在磁头上感应出电信号，此类传感器属于数字式传感器的一种。 磁敏式传感器是利用半导体中的自由电子或空穴随磁场改变运动方向这一特性而制成的一种传感器。分为体型和结型两大类。q 体型：霍尔传感器（InSb,InAs,Ge,Si,GaAs）和磁敏电阻（InSb,InAs）;q 结型：磁敏二极管（Ge,Si）、磁敏

2、三极管（Si）。 9.1 霍尔传感器9.2 磁敏电阻 9.3 结型磁敏管2 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔（E.H.Hall）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而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 优点：灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高（可达1MHz）、耐高温、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。9.1 霍尔传感器3

3、一、霍尔效应和工作原理 二、霍尔元件主要技术参数 三、基本误差及其补偿四、霍尔元件的应用电路五、集成霍尔器件六、霍尔传感器的应用 按功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性器件的精度高、线性度好； 霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达m级）。 采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达55150。4一、霍尔效应和工作原理1. 霍尔效应 一块半导体薄片，其长度为l ，宽度为b ，厚度为d ，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导

4、体另外两边将产生一个大小与控制电流I 和磁感应强度B 乘积成正比的电势UH，这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。霍尔效应原理图霍尔效应原理图图形符号图形符号5c cd da ab b霍尔效应演示6UHKH I B KH霍尔元件的灵敏度。 若保持I恒定，作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势UH也就越高。 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为UH =KHIBcos 72. 工作原理 霍尔效应是物质中的运动电荷受磁场中洛仑兹（Lore

5、ntz)力作用而产生的一种特性。 霍尔元件(设为N 型半导体)置于磁场B中，当通以电流I 时，运动电荷（载流子电子）受磁场中洛仑兹力fL 的作用，向垂直于B 和电流I的方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即运动电荷（电子）有向某一端积聚的现象，使霍尔元件一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，该静电场对运动电荷（电子）的作用力fE 与洛仑兹力fL方向相反，阻止其偏转，当二力相等时，电荷积累达到动态平衡，此时的静电场即为霍尔电场，在电荷积聚的两面上产生的电势称为霍尔电势霍尔电势。 (a)磁场为磁场为0时电子的流动时电子的流动 (b)电子在洛仑兹力作用下发生偏转电子在

6、洛仑兹力作用下发生偏转 (c)电荷积累达到平衡时电荷积累达到平衡时8 洛仑兹力 fL = evB e 电子所带电荷量 v 电子运动平均速度 B 磁感应强度 霍尔电场作用力 fE = eEH = eUH /bEH 霍尔电场 UH 霍尔电势 b 霍尔片的宽度 动态平衡时 fL = fE 则 evB =eUH /b由于电流密度 J =nev，则电流强度为 I =nevbd N型半导体： P型半导体：式中，d 霍尔片厚度 n 电子浓度 p 空穴浓度nedIBvbBUHpedIBUH93. 霍尔系数及灵敏度 （1）霍尔系数：N型半导体： neR1HP型半导体： peR1H RH 被定义为霍尔传感器的霍尔

7、系数，霍尔系数由材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。 dIBRUHH设 dRKHH则 KH 既为霍尔元件的灵敏度（2）灵敏度：10则 ，于是得到 RH。UHKH IB IBUKHH 霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。 由于材料电阻率与载流子浓度和其迁移率 有关，即 ne1或 pe1 霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件的厚度 d 与 KH 成反比，因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高（一般0.1mm）。 HR 要想霍尔电势强，材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大

8、要想霍尔电势强，材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体电阻率很高，但其载流子迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料。11二、霍尔元件主要技术参数 1. 输入电阻Ri 和输出电阻Ro Ri 是指控制电流电极之间的电阻值，Ro 指霍尔电压电极间的电阻。Ri 和Ro 可以在无磁场时，用欧姆表等测量。 Ri Ro ，（1002000）。2. 额定控制电流Ic 使霍尔元件在空气中产生10温升的控制电流。（几mA 几十mA）。3. 不等位电势U0 和不等位电阻R0 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场

9、时其霍尔电压电极间的电势为不等位电势（也称为非平衡电压或残留电压）。主要是由于两电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的。一般U0 10mV。不等位电势和额定控制电流 Ic之比为不等位电阻 。 R0= U0 / Ic。 4. 灵敏度KH 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路霍尔电压。125. 寄生直流电势U0D 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电压电极间产生的直流电势。主要是由于电极与霍尔基片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。6. 霍尔电势温度系数 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化时，霍尔电势变化的百分率（/ ）。7. 电阻温度系数 为

10、温度每变化1时，霍尔元件电阻变化的百分（ / ）。8. 灵敏度温度系数 为温度每变化1时，霍尔元件灵敏度的变化率。9. 线性度 霍尔元件的线性度常用1kGs时相对于5kGs时霍尔电压的最大差值的百分比表示。13三、基本误差及其补偿 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为温度误差温度误差和零位误差零位误差。 1. 温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高

11、到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻（输入、输出电阻）的变化，除了选用温度系数小的材料（如砷化铟）外，可以采用适当的补偿电路。14（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri 变化，在稳压源供电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源（稳定度0.1%）提供控制电流。 但灵敏度系数KH也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻R。（2）选取合适的负载电阻RL 霍尔元件的输出电阻和霍尔电势都是温度的函数，应用

12、时其输出总要接负载RL（如电压表内阻或放大器的输入阻抗等）。当工作温度改变时，输出电阻Ro的变化必然会引起负载上输出电势的变化。 可采用在负载RL 上串、并联电阻的方法补偿温度误差，但灵敏度将相应下降。 15（3）采用恒压源和输入回路串联电阻 当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当电阻来补偿温度误差。 （4）采用温度补偿元件 这是一种常用的温度误差补偿方法，尤其适用于锑化铟材料霍尔元件。(a)、 (b)、(c)为电压源激励为电压源激励 (d)为电流源激励为电流源激励16 还可采用带热敏电阻的电桥。 调节电位器W1可以消除不等位电势。 电桥由温度系数低的电阻

13、构成，在某一桥臂电阻上并联热敏电阻Rt。热敏电阻Rt与霍尔元件置于同一温度。 当温度变化时，霍尔元件输出的霍尔电势受温度影响而改变；热敏电阻也同时受同样的温度变化，其阻值受温度影响而改变，使补偿电桥失去平衡，输出一电压，此电压与霍尔元件输出的霍尔电势叠加成输出电压UH。 只要仔细调节，设计适当，使电桥失去平衡输出的电压正好补偿霍尔电势的温度误差，即可使其输出电压UH与温度基本无关。172. 零位误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。主要有不等位电势和寄生直流电势等。 由制造霍尔元件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件

14、两侧的电极焊接在同一等电位面上，如图所示。当控制电流 I 流过时，即使未加外磁场，A、B 两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势 U0。 不等位电势不等位电势 此外霍尔片电阻率、厚度不均匀或控制电流极接触不良也会使等位面歪斜。 除了工艺上采取措施降低U0 外，还需采用补偿电路加以补偿。1 I212r1r2r3r418 根据霍尔元件的工作原理，可以把霍尔元件等效于一个四臂电桥。如果两个霍尔电极 A、B 处在同一等位面上，桥路处于平衡状态，即 R1 /R3R2/R4，则不等位电势 图中给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如图（a）所示，或在两个桥臂上

15、同时并联如图（b）、（c）所示的电阻。显然方案（c）调整比较方便。 U00。如果两个霍尔电极不在同一等位面上，电桥不平衡，不等位电势 U00。此时根据 A、B两点电位高低，判断应在某一桥臂上并联一个电阻，使电桥平衡，从而就消除了不等位电势。19四、霍尔元件的应用电路 1. 基本测量电路 控制电流 I 由电源 E 供给，电位器 W 调节控制电流 I 的大小。霍尔元件输出接负载电阻 RL，RL 可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。基本电路基本电路UHKH IB 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势 UH ，所以在测量中，可以把 I 和 B 的乘积，或者 I ，或者 B 作为

16、输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 I B 或 I 或 B 。 202. 霍尔元件的驱动方式 霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动。（a）恒流驱动）恒流驱动 （b）恒压驱动）恒压驱动21 图（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由W1、W2调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，则它的输出电势为单片的两倍。 图（b）为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器 B 的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。（a）（b）3. 霍尔元件的连接方式 除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。224. 霍尔电势的输

17、出电路 霍尔元件是一种四端器件四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有两种结构。 （a）线性应用线性应用 （b）开关应用开关应用 当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。 当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。 23五、集成霍尔器件 尽管硅的载流子浓度较小，制作霍尔元件时灵敏度较低，但是由于硅集成电路工艺非常成熟，所以仍把硅材料作为集成霍尔传感器的主要材料。 将霍尔元件及其放大电路、温度补偿电路和稳压电源等集成在一个芯片上构成独立

18、器件集成霍尔器件（也称集成霍尔传感器） 。 不仅尺寸紧凑便于使用，而且有利于减小误差，改善稳定性。 根据功能的不同，集成霍尔器件分为霍尔线性集成器件和霍尔开关集成器件两类。241. 霍尔线性集成器件 霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。其内部结构如图所示。 UGN3501T的电源电压及温度与相对灵敏度的特性如图所示，由图可知Ucc高时，输出灵敏度高。随着温度的升高，其灵敏度下降。因此，若要提高测量精度，需在电路中增加温度补偿环节。 25 UGN3501T的磁场强度及空气间隙与输出电压特性如图所示，由图可见，在0.15T磁场强

19、度范围内，有较好的线性度，超出此范围时呈饱和状态。 输出电压与空气间隙并不是线性关系。 UGN3501M为差动输出，输出与磁场强度成线性。1、8两脚输出与磁场的方向有关，当磁场的方向相反时，其输出的极性也相反，如图所示。26 UGN3501M的5、6、7脚接一调整电位器时，可以补偿不等位电势，并且可改善线性，但灵敏度有所下降。若允许一定的不等位电势输出，则可不接电位器。输出特性如左图所示。 若以UGN3501M的中心为原点，磁钢与UGN3501M的顶面之间距离为D，则其移动的距离与输出的差动电压如右图所示，由图可以看出，在空气间隙为零时，每移动0.001英寸（0.0254mm）输出为3mV，即

20、相当11.8mVmm，当采用高能磁钢（如钐钴磁钢或钕铁硼磁钢），每移动1英寸时，能输出30mV，并且在一定距离内呈线性。 272. 霍尔开关集成器件开关型集成霍尔传感器是把霍尔器件的电压经过一定的阈值甄别处理和放大，而输出一个高电平或低电平的数字信号。 由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和集电极开路输出等部分组成。 BOP为工作点“开”的磁场强度， BRP为释放点“关”的磁场强度。 锁定型：当磁场强度超过工作点开时，其输出导通；而在磁场撤销后，其输出状态保持不变，必须施加反向磁场并使之超过释放点，才能使其关闭。+（a）内部结构框图；）内部结构框图； （b）工作特性；工作特性； （c）工作电路；

21、（工作电路；（d）锁定型器件工作特性锁定型器件工作特性28六、霍尔传感器的应用 利用霍尔传感器的磁电转换特性可以十分方便地测量磁场强度、电流等有关的物理量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量，例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 1.位移测量 2.角度测量3.霍尔电流传感器 4.霍尔功率传感器 5.霍尔高斯计 6.霍尔计数装置

22、（接近开关）7.霍尔转速传感器 8.霍尔开关电子点火器9.霍尔电机 10.液位控制29对上式积分 UH = K x 霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电势的极性反映了位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。当 x0 时，则元件置于磁场中心位置，UH0。这种位移传感器特点是惯性小、响应速度快、无触点测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。 1位移测量 霍尔位移传感器可制成两种结构。在梯度磁场中放置一个霍尔元件。当控制电流 I 恒定不变时，霍尔电势UH 与磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 dB / dx 为一常

23、数，则当霍尔元件沿 x 方向移动时，霍尔电势变化为 KxBdIRxUddddHH（位移传感器的输出灵敏度）302. 角度测量sinHHIBKU 将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中，其输出霍尔电势UH为313. 霍尔电流传感器（霍尔传感器测电流） 霍尔传感器广泛用于测量电流，从而可以制成电流过载检测器或过载保护装置；在电机控制驱动中，作为电流反馈元件，构成电流反馈回路。 32铁心 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。线性霍线性霍尔尔ICIBUH33 下面以UGN3501

24、M霍尔传感器为例，阐明其测量电流的原理。 标准软磁材料圆环中心直径为40mm，截面积为44mm2（方形），圆环上有一缺口，放入霍尔传感器，圆环上绕有11匝线，并通过检测电流。根据磁路理论，可以算出电流为50A时，可产生0.3T磁场强度。由于UGN3501M的灵敏度为14mVmT，则在050A电流范围内，其输出电压变化为04.2V。34压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔式电流谐波分析仪35 4. 霍尔功率传感器 利用 UH =KHIB 关系，如果 I 和 B 是两个独立变量，霍尔器件就是一个简单实用的模拟乘法器；如果 I 和 B 分别与某一负载两端的电压和通过的电流有关，则霍尔器件

25、便可用于负载功率测量。霍尔器件测电功率霍尔器件测电功率BiKucHH 负载ZL所取电流 i 流过铁芯线圈以产生交变磁感强度B，电源电压U经过降压电阻R得到的交流电流ic流过霍尔器件，则霍尔器件输出电压uH便与电功率P成正比，即iuP36还可以完成乘方、开方、到数、除法、开立方等功能。霍尔元件平方器霍尔元件平方器 霍尔元件开方器霍尔元件开方器 37 在磁场强度为0.1T时，UGN3501M的典型输出电压为1400mV，因此可以制成0.1T的高斯计，如图所示。电源电压为816V。在5、6脚接一个 20的调 5. 霍尔高斯计（特斯拉计） 零电位器，在1、8脚接一可调灵敏度的10k电位器及内阻常数最小

26、为10k/V的电压表。若在5、 6两脚上各接一只47电阻后，再接20电位器，其线性范围可达0.3T。霍尔元件霍尔元件 磁铁磁铁 386. 霍尔计数装置（接近开关） UGN3501T具有较高的灵敏度，能感受到很小的磁场变化，因而可以检测铁磁物质的有无，利用这一特性可以制成计数装置。 从图中还可以看出，霍尔元件也是一种接近开关。 39霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁（永磁）。 用开关型霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。40 在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍

27、尔接近开关几毫米时，霍尔IC的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动，起到限位的作用。 min)/(460rfn 开关型霍尔开关型霍尔ICIC软铁分流翼片软铁分流翼片霍尔式接近开关用于转速测量霍尔式接近开关用于限位作用417. 霍尔转速传感器11转轴转轴 22转盘转盘 33磁铁磁铁 44霍尔元件霍尔元件几种霍尔转速传感器的结构几种霍尔转速传感器的结构 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齿轮。42S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉

28、冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。43 图（a），当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平； 图（b），当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。（a）（b）44带有微型带有微型磁铁的霍磁铁的霍尔传感器尔传感器钢钢质齿圈质齿圈霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型带有微型磁铁的霍磁铁的霍尔传感器尔传感器458. 霍尔开关电子点火器高压输出接头高压输出接头12V低压电源输入接头低压电源输入接头 采用霍尔式无触点电子点

29、火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确、触点易烧坏、高速时动力不足等缺点。能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前已得到广泛采用。 46 将霍尔元件固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩1，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口2。 当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔器件，如图a所示，此时霍尔元件输出高电平； 当凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，磁通不通过霍尔器件，如图b所示，霍尔元件输出低电平0.4V 。1 1隔磁罩隔磁罩 2 2隔磁罩缺口隔磁罩缺口 3 3分电器转轴分电器转轴 4 4磁铁磁铁 5 5霍尔元件霍尔元件 47 霍尔电子点火器原理如图所

30、示。当凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，霍尔元件输出低电平， BG1截止，BG2、BG3导通，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁芯中。当缺口对准霍尔元件时，霍尔元件输出高电平，BG1导通，BG2、BG3截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁芯中的磁场能量在高压侧感应出3050kV的高电压，以放电形式输出，即放电点火。 带霍尔传感器的分电器带霍尔传感器的分电器 开关放大器开关放大器 点火线圈点火线圈 48 直流电机具有运行效率高和调速性能好，得到了广泛应用。然而传统的直流电机均采用电刷，以机械方法进行换相，因而存在相对的机械摩擦，由

31、此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。9. 霍尔电机(霍尔元件在直流无刷电机中的应用) 普通直流电动机使用的电刷和换向器普通直流电动机使用的电刷和换向器 为克服以上缺点，出现了永磁直流无刷电机，以高性能永磁材料，如钐钴、钕铁硼等材料作转子，采用电子换相代替电刷机械换相。 已广泛应用于软、硬驱动器、光盘驱动器、激光打印机、复印机、传真机鼓驱动、VCD、DVD装置；新一代变频空调器、电冰箱、洗衣机等；目前兴起的电动自行车以及自动控制系统作为执行器等。49 永磁直流无刷电机是由电机主体和驱动器组成的。直流无刷电机主体在没有

32、驱动器的情况下是无法运转的，必须由驱动器来驱动其转动，并可以通过驱动器控制电机，按照使用者的设定来运转。 直流无刷电动机是电子换向的直流电动机，需要用位置传感器来检测转子位置，以实现电子换向。采用霍尔元件作为电动自行车的无刷电动机及控制电路电动自行车的无刷电动机及控制电路其位置传感器实现电子换向的直流无刷电动机，具有简单、经济、可靠等特点，同时体积小、重量轻，给电机的小型化、轻量化带来极大好处。因此，直流无刷电动机成为霍尔元件的主要应用领域之一。应用的霍尔元件有线性、开关型和锁定开关型等三种。 采用开关型霍尔元件的直流无刷电动机的电路较简单，且因功率驱动电路工作在开关状态下，功率驱动电路损耗小

33、、效率高、体积小。50H3 对准转子N极；此时，H2 处于零磁场，H3 导通，从而使功率晶体管 VT3 导通，通过电流 IW3，使定子绕组 W3 呈 S 极性，使转子继续顺时针旋转；当转子的 N 极对准 H4 时，使之导通，进而使VT4导通，IW4 通过定于绕组 W4，使之呈 S 极性，继续使转子顺时针旋转，直至转子 N 极对准 W4；而后 H4 导通，使 VT1 导通。电流 IW1 通过定子绕阻 W1，使 W1 呈 S极性，继续使转子顺时针旋转，直至转子 N 极对准绕组 W1，此时，转子已转一周。如此下去，继续旋转。如果改变电源极性，则电机转子反转。 如图所示为两相直流无刷电动机采用四个开关

34、型霍尔元件实现双极性、四状态的电子换向电路图。 当霍尔元件 H2 面向转子N极方向，霍尔元件 H2 导通，为低电平，功率晶体管 VT2 导通，绕组W2 通过电流 IW2 ，使定子绕组W2下极性呈S极，转子顺时针旋转，直到霍尔元件 5110. 液位控制 在浮子上装一块小磁钢，在两液位极限位置上装上霍尔开关集成电路。当液面升、降到极限位置时，霍尔开关集成电路便输出信号用以控制电机的开、关，从而达到控制液位的目的。529.2 磁敏电阻 磁敏电阻是基于磁阻效应磁阻效应的磁敏元件。 磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。 一、磁阻效应二、半导体

35、磁敏电阻三、强磁性金属薄膜磁敏电阻四、磁敏电阻传感器的应用53 当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。 在外加磁场作用下，运动的载流子因受到洛伦兹力的作用而发生偏转，在两侧面有电荷积累，产生霍尔电场。当洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向。这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻值。磁场磁场越强，增大电阻的作用就越强越强，增大电阻的作用就越强。 迁移率越高的材料，磁阻效应越明显。迁移率越高的材料，磁阻效应越明显。另外磁阻效应还与器件的几何形状有关。 根据材料的不同可分为半导体磁敏电阻和强磁性

36、金属薄膜磁敏电阻。一、磁阻效应54二、半导体磁敏电阻 利用半导体材料的磁阻效应制成的磁敏电阻可以有如图所示的几种形式，处在垂直于纸面向外的磁场中，电子运动的轨迹都将向左前方偏移。(a) 纵长方形器件：中段由于霍尔电场作用，运动轨迹与l方向平行，只有两端才倾斜。电子运动路经增加不显著，电阻增加不多；(b) 横长方形器件：因l较短来不及形成较大的霍尔电场，磁阻效应较明显；(c) 圆型片器件（科比诺圆盘）：电子由中央向边缘运动，片中任何地方都不会产生霍尔电场，电阻增大最明显。但因初始电阻较小，很难实用；(d) 栅格式器件：按横长方形器件原理把若干横长片串联成“弓”字形，用许多金属短路电极短路电极将霍

37、尔电压短路掉，电阻增加比较多。可提高灵敏度可提高灵敏度。55电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为 wlfBK120l，w分别为电阻的长和宽； f（l / w）形状效应系数。 在恒定磁感应强度下，其长度( l )比宽度( w )越小，则 /0越大。 圆盘形样品的磁阻最大。 56四、磁敏电阻传感器的应用锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 利用锑化铟（InSb）磁阻传感器进行弱磁信号的检测，已取得了成功，例如在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用。在该元件的磁敏表面上垂直施加磁通量时，则可使其电阻发生变化。将两只磁敏电阻RM1、RM2 串联，施加一定的 UE 和特定磁场B；

38、当外磁场接近两个磁阻元件之一时，在该元件上产生磁通增量，使输出电压发生变化。MRS型系列磁型系列磁敏电阻传感器敏电阻传感器验钞笔、验钞仪顺着纸验钞笔、验钞仪顺着纸币上的磁性防伪线扫描币上的磁性防伪线扫描57利用磁敏电阻制作小型探矿仪（磁力仪） 磁敏电阻（聚四磁敏电阻（聚四氟乙烯封装）氟乙烯封装）589.3 结型磁敏管 霍尔元件和磁敏电阻均是用霍尔元件和磁敏电阻均是用 N 型半导体材料制成的体型元型半导体材料制成的体型元件。件。 磁敏二极管和磁敏三极管（结型磁敏管）是磁敏二极管和磁敏三极管（结型磁敏管）是 PN 结型的磁结型的磁电转换元件电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积

39、小等特点，比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。 一、磁敏二极管二、磁敏三极管三、结型磁敏管传感器的应用59一、磁敏二极管 1. 磁敏二极管（SMD）结构 磁敏二极管在 P，N 之间有一个较长（载流子扩散长度的5倍以上）的本征区 I，本征区 I 的一面磨成光滑的复合表面（为 I 区），另一面用喷砂法打毛，形成高复合区（为 r 区），其目的是因为电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在 P+IN+结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是 PIN 型的。 602. 磁敏二极管的工作原理v 当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，如图（b）所示，则有大量的空穴从 P 区通

40、过 I 区进入 N 区，同时应有大量电子注入 P 区，形成电流。只有少量电子和空穴在 I 区和 r 区复合掉。v 当磁敏二极管受到外界磁场 B+（正向磁场）作用时，如图 （c）所示，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向 r 区偏转，由于 r 区的电子和空穴复合速度比光滑面 I 区快，因此，形成的电流因复合速度快而减小。 v 当磁敏二极管受到外界磁场 B （反向磁场）作用时，如图（d）所示，电子、空穴受到洛仑兹力作用而向 I 区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则电流变大。 磁敏二极管加正向偏压 ，在磁场强度的变化下，其正向电流发生变化，实现了磁电转换。正磁场越强，电流越小，表示磁阻增加；负磁场

41、越强，电流越大，表示磁阻减小。61（1）伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。 磁敏二极管在不同磁场强度B的作用下，伏安特性不一样。图（a）为锗磁敏二极管的伏安特性。图（b）、（c）为硅磁敏二极管的伏安特性。3. 磁敏二极管的主要特性（a）锗管）锗管 （b）硅管，俘获中心作用强）硅管，俘获中心作用强 （c）硅管，俘获中心作用弱）硅管，俘获中心作用弱62（2）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电特性。 磁敏二极管通常有单只使用和互补使用两种方式。它们的磁电特性如图所示。单只使用时，正向磁灵敏度大于反向，磁场强度

42、增加时，曲线有饱和趋势；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。 63 （3）磁敏二极管的温度特性及其补偿 一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量U，或者在无磁场作用时，中点电压 Um 随温度变化较大。其温度特性如图所示。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。20020406080123450.20.40.60.8UE6 VH1 kGsIU / VI / mAT / 64互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 为了补偿单只磁敏二极管使用时，因为温度变化产生输出电压的变化，可以采用互补电路。在互补电路中选用两只性能相近的磁敏

43、二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置，并把它们串接在电路中，就可形成互补电路。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压 Um 随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿温度补偿的目的。 互补电路还能提高磁灵敏度提高磁灵敏度。 背向联接背向联接 补偿电路补偿电路 等效电路等效电路 65 例如，当磁敏二极管D1 在+1 kGs 磁场作用时，其等效电阻 R1 增加R1 ，相应电压变化量为U1；同时，由于磁敏二极管D2 磁极性反向安置，因而，受到-1kGs 磁场作用，等效电阻 R2 减少R2，相应电压变化量为U2；。因此总的输出电压变化量为Um= U1U2。v 在同样磁场

44、作用下，互补使用比单管使用在同样磁场作用下，互补使用比单管使用输出电压变化量增大，即磁灵敏度提高输出电压变化量增大，即磁灵敏度提高。 差分式电路差分式电路 差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，而且还可以弥补互补电路的不足(具有负阻现象的磁敏二极管不能用作互补电路)。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1 和R2 。 66全桥电路全桥电路 将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区，且不能使用有负阻特性的管子。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，因此，给实际使用带来一些困难。热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 该电路是利

45、用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。 67二、磁敏三极管1. 磁敏三极管的结构 硅磁敏三极管和锗磁敏三极管均属双极性长基区晶体管结构。 在弱 P 型或弱 N 型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的 r 区和本征 I 区。长基区分为输运基区和复合基区。682. 磁敏三极管的工作原理q 当磁敏三极管未受到磁场作用时（图c）， be间加一定的偏压后，发射结的载流子分别飞向两个基区。由于基区长度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过 e-I-b形成基极电流；少数载流子输入到c极。因而形成了基极电流大于集电极电流的情况，使 1bcIIq 当受到正向磁场( B+ )作用时（图d），洛仑兹力使载流子偏向复合基区，导致集电极电流显著下降。q 当受到反向磁场( B )作用时（图e）