新编-25808-07-磁敏式传感器-2-77-精品课件

1、7.2 霍尔传感器的工作原理与特性7.2.1 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。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。如图，在长、宽、高分别为L 、 W 、 H的半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c侧指向d侧方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用表示，大小为： 电子电荷量载流子的运动速度磁感应强度1当载流导体或半导体处于与电流相垂直的磁场中时

2、，在其两端将产生电位差，这一现象被称为霍尔效应。霍尔效应产生的电动势被称为霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。2在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成正电荷的积累。这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场 ,称为霍尔电场。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累。当电场力（ ）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有 霍尔效应与霍尔元件所以霍尔电场的强度为（7-2）在c与d两侧面间建立的电动势差称为霍尔电势，用表示当材料中的电子浓度为n时（7-3）3设 -霍尔系数，得 设 -霍尔灵敏度，则（7-5）反映材

3、料霍尔效应的强弱，是由材料性质所决定的一个常数大小 霍尔灵敏度，它表示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势的大小 （7-7）霍尔片的厚度4霍耳电势与材料的关系通过以上分析，可以看出 霍耳电压UH大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N型半导体材料。 RH=1/nq 霍耳电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：1）根据式 ，H愈小，KH愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。但H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UH也有影响。L/W加大时，控制电极对

4、霍耳电压影响减小。但如果L/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式（7-7）加以形状效应修正： (7-7） 式（7-7）中， 为形状效应系数，其修正值如下表所示。通常取L/W0.51.01.52.02.53.04.0f(L/W)0.3700.7750.8410.9230.9770.9840.9975霍耳电势与材料的关系3） 霍耳电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式 UH正比于I及B。当控制电流恒定时，B愈大，UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍耳灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制I,也可以提高霍耳电压的输出。但电流不宜过大，否则，会烧坏霍耳元

5、件。67.2.2 霍尔元件的结构和主要参数霍尔元件是一种四端型器件，如图7-2所示，它由霍尔片、4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4mm 2mm 0.1 mm。通常为红色的两个引线A、B 为控制电流， C、D 两个绿色引线为霍尔电势输出线。图7-2 霍尔元件7霍尔元件基本结构霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，四个引线。控制（激励）电极：两根加激励电压或电流，霍尔电极：两根霍尔输出引线。封装：壳体导磁金属、陶瓷或环氧树脂电路符号8 霍耳元件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

6、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。 9霍尔元件基本特性 线性特性与开关特性负载特性 温度特性 10主要特征参数（1）额定控制电流I ：使霍尔片温升10所施加的控制电流值。（2）输入电阻Ri：指控制电极间的电阻值。（3）输出电阻Ro：指霍尔电势输出极之间的电阻值。相当于一个电压源，其电源内阻（4）最大磁感应强度BM：磁感应强度超过BM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。11关于电流的说明额定激励电流：当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流。最大允许激励电流：以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流。激励电流增加霍尔电势线性增加

7、，所以，使用中希望选用尽可能大的激励电流，需要知道元件的最大允许激励电流，改善霍尔元件的散热条件，可以使激励电流增加。12（5）不等位电势：在额定控制电流下，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。它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，如图7-3所示。使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。图7-3 霍尔元件的不等位电势13（7）霍尔电势温度系数：在磁感应强度及控制电流一定情况下，温度变化l 相应霍尔电势变化的百分数。它与霍尔元件的材料有关，一般为0.1/左右。在要求较高场合，应选择低温漂的霍尔元件。它同时也是霍尔系数的温度系数。14（8）寄生直流电势在外加磁场为零、

8、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。是影响霍尔片温漂的原因之一 。15寄生直流电动势的补偿元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，并做到均匀散热。欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。16霍尔元件温度补偿霍尔元件的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔电势会发生变化。霍尔元件产生温度误差。霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化，17霍尔元件的温度误差及其补偿18当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由下式可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值

9、。为了满足R0及两个条件，分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合。19常用国产霍尔元件的技术参数207.2.2 测量电路217.2.3 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传感器。有些霍尔传感器的外形与DIP 封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。类型：分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。1、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、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出（差动输出）两种电路，如图7-4 所示。图7-4 线形霍尔集

10、成传感器结构222. 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7-5所示。当有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，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“开启” 阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使晶体管导通，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，经放大器放大后其值仍小于施密特的“关闭”阈值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使晶体管截止，电路处于关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。图7-5 霍尔开关集成传感器

11、内部结构框图23247.3磁敏传感器7.3.1 磁敏电阻1. 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，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场变化，这种现象称为磁阻效应。在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图7-8a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角 ，如图7-8b所示。这使电流流通的途径变长，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7-8 磁阻元件工作原理示意图25磁阻效

12、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。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磁感应强度电子迁移率磁感应强度为B时的电阻率（7-8） 设电阻率的变化为则电阻率的相对变化为 （7-9） 由上式可知，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb（锑化铟）和InAs（砷化铟）等半导体的载流子迁移率都很高，更适合于制作磁敏电阻。26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率的关系可用下式近似表示 式

13、中 形状效应系数，L,b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电极，如图7-9 所示。这种圆盘形磁阻器件称为科尔比诺圆盘。这时的效应称科尔比诺效应。因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。图7-9 磁敏电阻的形状27磁阻元件283. 磁敏电阻的基本特性(1)B-R特性。它由无磁场时的电阻和磁感应强度B时的电阻来表示。随元件形状不同而异，约为数十欧至数千欧，随磁感应强度变化而变化。图7-10为磁敏电阻的特性曲线。在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化。图7-10 磁敏电阻的B-R特性29（2）灵敏度K 磁

14、敏电阻的灵敏度可由下式表示： （7-11）式中 磁感应强度为0.3T时的值； 无磁场时的电阻值。一般情况下，磁敏电阻的灵敏度K2.7。（3）温度系数 磁敏电阻的温度系数约为-2/，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，用差动方式工作。307.3.2 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。 311. 磁敏二极管的结构磁敏二极管是PN 结型的磁电转换元

15、件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，结构如图7-11所示。在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，在P、N 之间有一个较长的本征区I ，本征区I 的一面磨成光滑的复合表面（为I 区），另一面打毛，成为高复合区（r 区），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、I、N 结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN 型的。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区复合，磁敏二极管的PN结却有很长的基区，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。磁敏二极管结构示意图322. 工作原理磁敏二极管在磁场强度的变

16、化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。且I区和r区的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。 图7-12 磁敏二极管工作原理示意图333. 磁敏二极管的主要特性（1）磁电特性：在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系。图7-13给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。图7-13 磁敏二极管磁电特性曲线正向磁灵敏度大于反向互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性34（2）伏安特性在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。如图7-14所示。不同种类的磁敏二极管伏安特性也不同。图7-14 磁敏二极管伏安特性曲线35

17、（3）温度特性一般情况下，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，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下 的温度系数小于20mV， 的温度系数小于0.7%/。而锗磁敏二极管 的温度系数小于-70mV， 的温度系数小于1.5%/。所以，规定硅管的使用温度为-4085，而锗管则现定为-4075。 指在标准测试条件下，输出电压变化量（或无磁场作用时输出电压）随温度变化的规律，如图7-15所示。图7-15 磁敏二极管温度特性36（ 4）频率特性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寿命相当。硅管的响

18、应时间小于 ，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz,如图7-17所示。图7-17 锗磁敏二极管频率特性37在实际使用必须对其进行温度补偿。常用的温度补偿电路互补式差分式全桥式热敏电阻38（1）互补式温度补偿电路39差分式、全桥、热敏电阻补偿电路407.3.3 磁敏晶体管1. 磁敏晶体管的结构工作原理磁敏晶体管的结构和符号如图7-17所示。NPN型磁敏晶体管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件。其最大特点是基区较长，在长基区的侧面制成一个复合率很高的高复合区 。在 区的对面保持光滑的无复合的镜面，长基区分为输运基区

19、和复合基区两部分。图7-17 磁敏晶体管结构与符号41 2. 工作原理磁敏晶体管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极外，大部分通过e-I-b 而形成基极电流当受到正向磁场作用时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降当受反向磁场作用时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大由此可以看出，磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或反向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加。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加或减少的变化量。图7-18 磁敏晶体管工作原理示意图42

20、3. 磁敏晶体管的主要特性（1）磁电特性: 磁电特性是磁敏晶体管最重要的工作特性之一。例如，国产NPN型3BCM锗磁敏晶体管的磁电特性曲线如图7-19所示。在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。图7-19 3BCM的磁电特性43（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7-20a为不受磁场作用时磁敏晶体管的伏安特性曲线图7-20b给出了磁敏晶体管在基极恒流条件下（ ）集电极电流的变化 的特性曲线。图7-20 磁敏晶体管伏安特性曲线44（3）温度特性磁敏晶体管对温度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏晶体管的温度系数为0.8/；3CCM磁敏晶体管的温度系数为-0 .7/。3BC

21、M的温度特性曲线如图7-21所示。 图7-21 3BCM磁敏晶体管的温度特性457.4 磁电式传感器的应用7.4.1 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、微气隙中的磁场；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、液位等等。46把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面要

22、与磁场方向垂直。控制电流由恒流源（或恒压源）供给，用电表或电位差计来测量霍尔电动势。根据 ，若控制电流不变，则霍尔输出电动势正比于磁场.1.磁场测量（微磁场测量）47482. 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（从零到几千赫兹）、本身几乎不消耗电路功率等特点。根据安培定律，在载流导体周围将产生一正比于该电流的磁场。用霍尔元件来测量这一磁场，可得到一正比于该磁场的霍尔电动势。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表的基本测量原理。如图7-22。图7-22 霍尔元件测量电流495051523. 霍

23、尔转速表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，将线性形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冲信号经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。如图7-23所示。转速计算公式为：图7-23 霍尔转速表齿盘的齿数输出脉冲数转速（转/分）53545556微位移传感器结构简单、体积小、动态特性好和寿命长，用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，也应用在位移测量。574. 角位移测量仪当 不同时，霍尔电势 也不同。霍尔角位移测量仪结构如图7-24所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电

24、势就反映了转角 的变化。不过，这个变化是非线性的（ 正比于 ) ，若要求 与 成线性关系，必须采用特定形状的磁极。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，这时霍尔电势（7-13）图7-24 角位移测量仪58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 霍耳传感器用于角度检测595. 接近开关当霍尔元件通以恒定的控制电流，且有磁体近距离接近霍尔元件然后再离开时，元件的霍尔输出将发生显著变化，输出一个脉冲霍尔电势。利用这种特性可进行无触点发信。这种情况下，对霍尔元件本身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。另外，作用于霍尔元件的磁感应强度变化值，仅与磁

25、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。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。60霍尔计数装置工作示意图及电路图61627. 功率测量因此，可利用霍尔元件进行直流功率测量。该电路适用于直流大功率的测量， 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 N 型锗材料元件较为有利。其测量误差一般小于1。这种功率测量方法有下列优点：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，结构简单，体积小，寿命长

26、，成本低廉。图7-25 直流功率计电路图7-25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（7-14）外加电压与器件及器件材料、结构有关的常数常数功率637.4.2 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的特点，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。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、UPS、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。64656667磁敏电位器（无触点开关）图

27、7-27是将 InSb-NiSb 材料制成具有中心抽头的三端环形磁阻元件的无触点电位器。将半圆形磁钢（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两臂磁阻元件的互补电路。旋转磁钢改变作用于两臂磁阻元件的磁钢面积比，可产生磁阻比的变化。图7-27 无触点电位器 68图7-27表示电源电压 时，输出电压与磁钢旋转角度的关系。从图可见，旋转角输出特性是以 370为周期、以 180为界对称出现的。若以输出电压的一半处于中心点，在25范围内，其线性度达 0.5 % ；在45范围内，线性度

28、达1.5。这种无触点电位器是通过磁钢与磁阻器件的相对位置变化来改变输出电压的，它的分辨率比触点式电位器高两个数量级，而且不发生因触点移动而引起的摩擦噪声。但这种无触点电位器的成本比较高，不可能完全代替触点式电位器。图7-27无触点电位器旋转的输出特性69非接触式交流电流监视器电路如图所示。交流电流检测传感器采用半导体磁敏电阻MS-F06，放大器A1的增益可以在100至1000倍之间调整，输出可接万用表2V/20A交流档。只要把传感器靠近被测的交流电源线，则传感器就会输出与其电流大小成比例的电压。70非接触式交流电流监视器电路71电机转速测量电路采用磁敏电阻测量电机转速电路的实例。电路中a点电压

29、随转速而改变，用运放放大a点的变化电压（这时采用交流放大器），目的是减小放大器的零点漂移。另外，因磁敏电阻工作时加有偏磁，可获得与转速随时间变化趋势相同的信号。在运放的输出端接入示波器或计数器，就可测量电机的转速。727.4.3 磁敏二极管和晶体管应用磁敏二极管比较适合于应用在绝对精度要求不高、希望尽可能简单地检测磁场的有无、磁场方向及强弱等，而又能获得较大电压输出的场合。磁敏晶体管的应用技术领域与磁敏二极管相似。主要在磁场测量、大电流测量、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量、直流无刷马达和各种工业过程自动控制等技术领域中应用。731. 流量测量图7-28为磁敏二极管涡流流量计示意图，磁敏二极管用环氧树脂封装在导流头内，由导磁体同涡轮上的针形磁铁构成磁回路。磁敏二极管是不动的，当装在涡轮上的磁铁随涡轮旋转到一定位置时，磁敏二极