第7章-磁敏传感器

1、第7章 磁敏传感器7.1 磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状(xngzhun)效应7.2 霍尔元件7.3 磁 阻 元 件7.4 磁敏二极管7.5 磁敏三极管7.6 磁敏传感器的应用7/19/20221共一百九十四页7.1 磁敏传感器的物理(wl)基础霍尔、磁阻、形状效应7.1.1 基础知识在了解和学习磁敏传感器之前,先让我们回顾以下磁现象及其有关公式。磁现象和电现象不同,它的特点之一是磁荷（Magnetic Charge）不能单独存在(cnzi),必须是N、S成对存在(cnzi)（而电荷则不然,正电荷和负电荷可以单独存在(cnzi)）,并且在闭区间表面全部磁束（磁力线）的进出总和必等于零,即

2、div B=0。7/19/20222共一百九十四页磁感应强度、电场强度、力三者的关系可由公式表示为 该式表示运动电荷(dinh)e从电场E受到的力和磁场（磁感应强度B）存在时电流ev(v为电荷(dinh)速度)所受到的力,其中第二项称为洛伦兹力。与这个洛伦兹力相抗衡而产生的相反方向的电动势就是后面我们将要介绍的霍尔电压。7/19/20223共一百九十四页电感L、电流I与它们产生的磁束之间的关系可表示为 =LI当磁束有变化时, 在与其相交的电路(dinl)中将产生的电动势为7/19/20224共一百九十四页7.1.2 霍尔效应有一如图7.1所示的半导体薄片,若在它的两端通以控制电流I,在薄片的垂

3、直方向上施加磁感应强度为B的磁场,则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积(chngj)成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。 7/19/20225共一百九十四页图7.1 霍尔效应(xioyng)原理图7/19/20226共一百九十四页 1879年 霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板面施加(shji)一磁场，则板面两侧会出现微弱电势差.ldIab+当达到(d do)动态平衡时：受力分析(方向向下)(方向向上)试验结果7/19/20227共一百九十四页(霍耳系数(xsh)讨论(toln)：用霍耳效应测定，电流等区分半导体材料类型N 型半导体P 型半导体+通过

4、测量霍尔系数可以确定导电体中载流子浓度(浓度随杂质、温度等变化）7/19/20228共一百九十四页7.1.3 磁阻效应将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理效应。当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子(dinz)参与导电的最简单的情况,理论推出磁阻效应的表达式为B=0( 1 + 0.273 2 B2 )式中：B磁感应强度；电子迁移率；0零磁场下的电阻率；B磁感应强度为B时的电阻率。7/19/20229共一百九十四页设电阻率的变化为=B-0,则电阻率的

5、相对变化为 由上式可见,磁场一定,迁移率高的材料(cilio)磁阻效应明显。InSb和InAs等半导体的载流子迁移率都很高,很适合制作各种磁敏电阻元件。7/19/202210共一百九十四页7.1.4 形状效应磁阻的大小除了与材料有关外,还和磁敏元件的几何形状有关。在考虑到形状的影响时,电阻率的相对变化与磁感应强度(qingd)和迁移率的关系可以近似用下式表示：式中： f (lb) 为形状效应系数；l为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象,叫形状效应。 7/19/202211共一百九十四页7.2 霍尔元件(yunjin)7.2.1 霍尔元件

6、工作原理(yunl)霍尔元件是基于霍尔效应工作的。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。7/19/202212共一百九十四页 如图7.1所示,假设在N型半导体薄片上通以电流I,那么,半导体中的载流子（电子）将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B,则由于洛伦兹力fL (fL=evB。e： 电子电量(dinling)；v： 电子速度；B： 磁感应强度)的作用,电子向一边偏转（图中虚线方向）,并使该边形成电子积累,而另一边则积累正电荷,于是产生电场。该电场阻止运动电子的继续偏转,当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUHl)与洛伦兹力fL相等时,电

7、子的积累便达到动态平衡。 7/19/202213共一百九十四页这时,在薄片两横端面(dunmin)之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势就称为霍尔电势UH,其大小可用下式表示： (7.1)式中：RH霍尔常数（米3库仑,即m3C）；I控制电流（安培,即A）；B磁感应强度（特斯拉,即T）；d霍尔元件厚度（米,即m）。 令 (伏米2(安韦伯),即Vm2(AWb)(7.2)KH称为霍尔元件的灵敏度。于是 UH=KHIB (7.3)7/19/202214共一百九十四页由上式可知,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出(shch

8、)霍尔电压大小的一个重要参数,一般要求它越大越好。 KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体（尤其是N型半导体）的霍尔常数RH要比金属的大得多,所以在实际应用中,一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。 元件的厚度d对灵敏度的影响也很大,元件越薄,灵敏度就越高。由式（7.3）可见,当控制电流的方向或磁场的方向改变时,输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势极性不变。 7/19/202215共一百九十四页需要指出的是,在上述公式中,施加在霍尔元件上的磁感应强度为B的磁场是垂直于薄片的,即磁感应强度B的方向和霍尔元件的平面法线是一致的。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时

9、,作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcos）,这时,UH=KHIBcos。7.2.2 霍尔元件结构霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成,见图7.2。在长边的两个端面上(min shn)焊有两根控制电流端引线（见图中1,1）,在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引线（见图中2,2）。焊接处要求接触电阻小,且呈纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 7/19/202216共一百九十四页图7.2 霍尔元件(yunjin)示意图7/19/202217共一百

10、九十四页7.2.3 基本电路通常,在电路中,霍尔元件可用如图7.3所示的几种符号表示。标注时,国产器件常用H代表霍尔元件,后面的字母代表元件的材料,数字代表产品序号。如HZ-1元件,说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件,说明是用锑化铟材料制成的元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表7.1。 图7.4示出了霍尔元件的基本电路。控制电流由电源E供给；R为调节电阻,用于调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载(fzi)Rf。Rf可以是一般电阻,也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下,负载上就有电压输出。在实际使用时,I、B或两者同时作为信号输入,而输出信号则正比于I或B,

11、或正比于两者的乘积。 7/19/202218共一百九十四页图7.3 霍尔元件(yunjin)的符号 7/19/202219共一百九十四页图7.4(a) 霍尔元件的基本(jbn)电路 7/19/202220共一百九十四页图7.4(b) 3个运算(yn sun)放大器构成的差动放大器7/19/202221共一百九十四页建立霍尔效应所需的时间很短（约10-1210-14s）,因此控制电流用交流时,频率(pnl)可以很高（几千兆赫）。在实际应用中,霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作,其特性不一样。究竟应用采用哪种方式，要根据用途来选择。1. 恒压工作如图7.5所示,恒压工作比恒流工作的性能要差些,只适

12、用于对精度要求不太高的地方。 7/19/202222共一百九十四页当使用SHS210霍尔元件时,工作在1V、1 kGs(1Gs=10-4T)时,输出电压为2155mV,偏移电压为7%（最大）（1.473.85 mV）。无磁场时偏移电压不变,在弱磁场下工作不利(bl)。偏移电压可以调整为零,但与运算放大器一样,并不能去除其漂移成分。在恒压条件下性能不好的主要原因为霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。输入电阻的温度系数因霍尔元件的材料型号而异, GaAs型为0.3%(最大),InSb型为-2%（最大）。 7/19/202223共一百九十四页图7.5 恒压工作(gngzu)的霍尔传感器电路7

13、/19/202224共一百九十四页恒压工作的控制(kngzh)电流为Rsr为霍尔元件的输入电阻。对GaAs霍尔元件而言,温度上升则电阻值变大（+0.3%）,控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化-0.3%(最大),加上若恒流工作时恒流源自身变化-0.06%,其温度特性就显得很不好。对于InSb霍尔元件而言,若恒压工作时恒压源自身的温度系数为-2%（最大）,与电阻变化的+2%相互抵消,则元件的温度系数反而变小。 7/19/202225共一百九十四页2. 恒流工作为了充分发挥霍尔传感器的性能,最好使用恒流源供电,即恒流工作,电路如图7.6所示。在恒流工作下,没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应(xioy

14、ng)的影响。恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差些。特别是InSb霍尔元件,由于输入电阻的温度系数大,偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103A GaAs霍尔元件,在5 mA工作电流、1 kGs下,输出电压50120 mA， 此时的偏移电压为10%（512 mV）。 7/19/202226共一百九十四页图7.6 恒流工作(gngzu)的霍尔传感器电路7/19/202227共一百九十四页3. 差分放大霍尔元件(yunjin)的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏,需要用放大电路放大其输出电压。图7.7所示为放大电路的一个例子。霍尔元件(yunjin)是四端器件,为了去除同相电压,需要使用

15、差分放大器。在图7.7（a）中,使用一个运算放大器时,霍尔元件(yunjin)的输出电阻大于运算放大器的输入电阻,这样就会产生误差。图7.7(b)中使用三个运算放大器,则没有这个问题。 7/19/202228共一百九十四页图7.7 霍尔传感器的测量(cling)电路7/19/202229共一百九十四页图7.7 霍尔传感器的测量(cling)电路7/19/202230共一百九十四页在图7.7中,霍尔传感器的输出电压既可以是交流也可以是直流。若只是交流,则可使用图7.8所示的电路形式(xngsh)。在这种电路中,直流成分被电容隔离。对于图7.8(a)所示电路,R2的值很大,应选用漏电流小的电容。由

16、于C2的漏电流大,而C1几乎没有电流,其差表现为偏移电压。在图7.8(b)所示电路中,C1和C2的漏电流相等,漏电流的影响被减轻。在图7.8(c)所示电路中,电容上几乎没有直流电压成分,故漏电流为最小,且放大器的输入电阻值很大。7/19/202231共一百九十四页图7.8 霍尔传感器的输出(shch)为交流时的放大电路7/19/202232共一百九十四页图7.8 霍尔传感器的输出为交流时的放大(fngd)电路7/19/202233共一百九十四页图7.8 霍尔传感器的输出(shch)为交流时的放大电路7/19/202234共一百九十四页7.2.4 电磁特性霍尔元件(yunjin)的电磁特性包括控

17、制电流（直流或交流）与输出之间的关系,霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系等。1. H-I特性固定磁场B,在一定温度下,霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系（见图7.9）。直线的斜率称为控制电流灵敏度,用KI表示。按照定义,控制电流灵敏度KI为 （7.4）由UH=KHIB,可得到KI=KHB (7.5)7/19/202235共一百九十四页由上式可知,霍尔元件的灵敏度KH越大,控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大的元件,其霍尔输出并不一定大。这是因为霍尔电势在B固定时,不但与KH有关,还与控制电流有关。因此,即使灵敏度不大的元件,如果在较大的控制电流下工作,那么同样可以得到较大的霍尔输出。

18、2. UH-B特性固定控制电流,元件的开路霍尔输出随磁场的增加(zngji)并不完全呈线性关系,而有所偏离。通常,霍尔元件工作在0.5Wbm2以下时线性度较好,如图7.10所示。使用中,若对线性度要求很高时,可采用HZ-4,它的线性偏离一般不大于0.2%。 7/19/202236共一百九十四页图7.9 霍尔元件的UH-I特性(txng)曲线7/19/202237共一百九十四页图7.10 霍尔元件(yunjin)的UH-B特性曲线 7/19/202238共一百九十四页7.2.5 误差分析及误差补偿1. 不等位电势及其补偿不等位电势是一个主要的零位(ln wi)误差。由于在制作霍尔元件时,不可能保

19、证将霍尔电极焊在同一等位面上,如图7.11所示, 因此,当控制电流I流过元件时,即使磁场强度B等于零,在霍尔电极上仍有电势存在,该电势就称为不等位电势。在分析不等位电势时,我们把霍尔元件等效为一个电桥,如图7.12所示。电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4,电桥平衡,这时,输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时,如图7.11所示,因r3增大,r4减小,则电桥失去平衡,因此,输出电压Uo就不等于零。恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向,就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不

20、等位电势。7/19/202239共一百九十四页图7.11 不等位(dn wi)电势示意图 7/19/202240共一百九十四页图7.12 霍尔元件(yunjin)的等效电路 7/19/202241共一百九十四页对已制成的霍尔元件,可以采用外接补偿线路进行补偿。常用(chn yn)的几种补偿线路如图7.13所示。 7/19/202242共一百九十四页图7.13 不等位电势的几种(j zhn)补偿线路7/19/202243共一百九十四页2. 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会随温度的变化(binhu)而发生变化(binhu),因此,霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等

21、）对温度的变化(binhu)也是很灵敏的。 为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件（如砷化铟）或采用恒温措施外,用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题,还必须结合其它补偿线路。7/19/202244共一百九十四页图7.14所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制(kngzh)电流极并联一个合适的补偿电阻r0,这个电阻起分流作用。当温度升高时,霍尔元件的内阻迅速增加,所以流过元件的电流减小,而流过补偿电阻r0的电流却增加。这样,利用元件内阻的温度特性和一个补偿

22、电阻,就能自动调节流过霍尔元件的电流大小,从而起到补偿作用。r0的大小可通过以下的推导求得。7/19/202245共一百九十四页图7.14 温度补偿(bchng)电路7/19/202246共一百九十四页设在某一基准温度T0时有以下(yxi)关系：I=IH0+ I0 (7.6) (7.7) 式中：I 恒流源输出电流；IH0 温度为T0时,霍尔元件的控制电流； I0 温度为T0时,通过补偿电阻的电流；R0 温度为T0时,霍尔元件的内阻；r0 温度为T0时的补偿电阻。当温度升到T时,同理可得 （7.8）7/19/202247共一百九十四页 式中： R是当温度为T时霍尔元件(yunjin)的内阻,R=

23、R0（1+ t）(是霍尔元件的内阻温度系数；t=T-T0,为相对于基准温度的温差)；r是当温度为T时补偿电阻的阻值,r=r0(1+t)(是补偿电阻的温度系数)。当温度为T0时,霍尔电势为 UH0=KH0IH0B （7.9）式中,KH0是当温度为T0时霍尔元件的灵敏度。设KH= KH0（1+t）,当温度为T时,霍尔电势为 UH=KHIHB=KH0（1+t）IHB (7.10)7/19/202248共一百九十四页式中： KH是当温度为T时霍尔元件的灵敏度；是霍尔电势的温度系数。如果(rgu)在补偿以后,输出霍尔电势不随温度变化,也就是满足以下条件： UH=UH0（7.11） 7/19/202249

24、共一百九十四页说明霍尔电势的温度误差(wch)得到了全补偿。即有KH0（1+t）IHB=KH0I H0B于是(1+t)IH= IH 0由式（7.7）和式（7.8）,并将r、R用r0、R0表示,得(7.12)将式（7.12）左边展开,并略去t2项（温差t100时,因、很小,故此项很小）,则r0=R0(-)7/19/202250共一百九十四页因为、比小得多,即,所以式（7.13）可近似为 (7.14)通过上式就可以确定补偿电阻r0的大小(dxio)。当霍尔元件给定后,霍尔元件的内阻温度系数和霍尔电势的温度系数可以从元件的参数表中查到,而元件的内阻R0则可以直接测量出来。（注意与书本上的公式(gng

25、sh)之区别）7/19/202251共一百九十四页实践表明,补偿后霍尔电势受温度的影响极小,且这种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响,只是输出电压稍有降低。这显然(xinrn)是由于流过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流,使通过霍尔元件的电流达到额定电流,输出电压就会不变。表7.1列出了常用霍尔元件的特性参数。 7/19/202252共一百九十四页表7.1 常用霍尔元件(yunjin)的特性参数7/19/202253共一百九十四页7.3 磁阻元件(yunjin)7.3.1 长方形磁阻元件长方形磁阻元件的结构如图7.15所示,其长度L大于宽度b,在两端制成电极,

26、构成两端器件。长方形磁阻元件的工作原理是： 在固体中由于杂质原子和晶格振动,阻碍电子运动,由于这种阻碍的存在,使电子运动速度(sd)可减到零。电子运动的轨道如图7.16所示。不难看出,载流子因为是弧形运动,在磁场中走过的路程增加,它们受到阻碍的程度也就增加,从而引起电阻率的增加。7/19/202254共一百九十四页图7.15 长方形和高灵敏度元件(yunjin) 7/19/202255共一百九十四页图7.16 在电场和磁场互相(h xing)垂直的固体中电子的运动 7/19/202256共一百九十四页7.3.2 科尔宾元件科尔宾（Corbino）元件的结构如图7.17所示。在圆盘(yun pn

27、)形元件的外圆周边和中心处,装上电流电极,将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。7/19/202257共一百九十四页图7.17 科尔宾元件(yunjin)7/19/202258共一百九十四页科尔宾元件的盘中心部分有一个圆形电极,盘的外沿是一个环形(hun xn)电极。两个极间构成一个电阻器,电流在两个电极间流动时,载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大。在电流的横向,电阻是无“头”无“尾”的,因此霍尔电势无法建立,有效地消除了霍尔电场的短路影响。由于不存在霍尔电场,电阻会随磁场有很大的变化。霍尔电势被全部短路而不在外部出现,电场呈放射形,电流在半径方向形成涡旋形流动。这是可以获得最

28、大磁阻效应的一种形状。 7/19/202259共一百九十四页7.3.3 平面电极元件将长方形的Lb减小,磁阻效应RR0也就变大,零磁场的电阻R0也变大,但由磁场而引起的阻值的变化量R（R=R- R0 ）不会变大。往往以电压的变化来作为实际的输出,而电压的变化用R与电流的乘积来表示。为了加大磁阻效应就要使电阻变大。从原理上讲,如果把Lb比值小的元件多个串联,就能解决问题。尽管这样的结构较好,但是制作(zhzu)困难,不能实用。7/19/202260共一百九十四页平面电极元件的结构如图7.18所示,电极配置成平面状。这种结构的磁阻效应比在元件的端面上配置电极的结构要稍差一些,但可应用镀膜技术和光刻

29、技术,在同一块基片上同时、大量制造这种元件。 通常以研磨或镀膜的办法制成InSb（锑化铟）薄膜。使用研磨方法时,是将单晶体研磨成厚度约为10 m的性能良好的元件。不过,要将单晶体研磨成薄片,其技术难度大。对于真空镀膜来说,由于(yuy)能获得小于1 m的薄膜,所以阻值会增加。尽管真空镀膜的膜比单晶膜的电子迁移率小很多,磁阻效应也要小,但是生产效率高,价格低廉。 7/19/202261共一百九十四页图7.18 平面电极(dinj)元件 7/19/202262共一百九十四页7.3.4 InSb-NiSb共晶磁阻元件InSb-NiSb共晶材料的特点是在InSb的晶体中掺杂NiSb,在结晶(jijng

30、)过程中会析出沿着一定方向排列的细长NiSb针状晶体,如图7.19所示。针状晶体导电性能良好,其直径为1 m,长度为100 m左右。由于NiSb在InSb中是平行整齐、有规则排列,所以可将它看作为栅格金属条,起着短路霍尔电势的作用,相当于几何形状效应。它是几何形状长宽比Lb=0.2的扁条状磁阻元件的串联元件。图7.20示出了三种元件的磁阻效应情况。其中未掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫D型,掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫L、N型。从图中可以看出,掺杂磁阻元件灵敏度下降。但从温度关系曲线上将会发现,其温度特性得到了改善。7/19/202263共一百九十四页图7.19 InSb-NiSb共晶

31、(n jn)元件 7/19/202264共一百九十四页图7.20 三种元件(yunjin)的磁阻效应特性 7/19/202265共一百九十四页7.3.5 曲折形磁阻元件无论是平面电极元件,还是InSb-NiSb共晶(n jn)元件,为了进一步提高电阻值,往往采用图7.21(a)所示的单个曲折形结构。图7.21(b)是用两个曲折元件组成一个差动式元件,其优点是可将磁阻元件阻值在无磁场情况下做到数百欧甚至数千欧。 7/19/202266共一百九十四页图7.21 曲折(qzh)形磁阻元件7/19/202267共一百九十四页7.3.6 磁阻元件的温度补偿用InSb材料制作的磁阻元件,其特性受温度的影响

32、很大。图7.22示出了三种温度特性曲线。图中符号D、L、N与图6.20中的相对应。由这两个图可知,一般磁场灵敏度越大,受温度的影响也越大。实际使用磁阻元件时,要根据(gnj)实际情况灵活选择其类型。当元件选定以后,还必须按照用途进行有效的温度补偿。用两个成对的元件组成差动式磁组元件,多用于电位差计。图7.23中示出了这种情况的温度补偿例子。图中RM为磁阻元件,r1、r2为温度补偿元件。 7/19/202268共一百九十四页图7.22 温度特性(txng)曲线 7/19/202269共一百九十四页图7.23 差动式元件(yunjin)温度补偿法 7/19/202270共一百九十四页7.4 磁敏二

33、极管7.4.1 磁敏二极管的结构磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二极管属于长基区二极管,是p+-i-n+型,其结构如图7.24所示。其中i为本征（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）或接近(jijn)本征的半导体,其长为L,它比载流子扩散长度大数倍,其两端分别为高掺杂的区域 p+、n+。在i区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的高复合区称r区,与r区相对的另一侧面保持光滑,为低（或无）复合面。 7/19/202271共一百九十四页图7.24 锗磁敏二极管结构(jigu)及电路符号 7/19/202272共一百九十四页7.4.2 磁敏二极管的工作原理对普通二极管,在加上正向偏置电压U+时,

34、U+=Ui+Up+Un。式中Ui为i区压降,Up、Un分别为pi+、in+结的压降。若无外界磁场影响,在外电场的作用下,大部分空穴由p+区向i区注入,而电子则由n+区向i区注入,这就是(jish)人们所说的双注入长基区二极管,其注入i区的空穴和电子数基本是相等的。由于运动的空间“很大”,除少数载流子在体内复合掉之外,大多数分别到达n+和p+区,形成电流,总电流为I=Ip+In。7/19/202273共一百九十四页而对磁敏二极管,情况就不同了。当受到正向磁场作用时,电子和空穴受洛伦兹力作用向r区偏转,如图7.25所示。由于r区是高复合区,所以进入r区的电子和空穴很快被复合掉,因而i区的载流子密度

35、减少,电阻增加,则Ui增加,在两个结上的电压Up、Un则相应减少。i区电阻进一步增加,直到稳定在某一值上为止。相反,磁场改变方向,电子和空穴将向r区的对面低（无）复合区流动,则使载流子在i区的复合减小,再加上载流子继续(jx)注入i区,使i区中载流子密度增加,电阻减小,电流增大。同样过程进行正反馈,使注入载流子数增加,Ui减少,Up、Un增加,电流增大,直至达到某一稳定值为止。 7/19/202274共一百九十四页图7.25 磁敏二极管载流子受磁场影响(yngxing)情况 7/19/202275共一百九十四页 7.4.3 磁敏二极管的特性1. 电流(dinli)-电压特性 图7.26示出了G

36、e磁敏二极管的电流-电压特性曲线。图中B=0的曲线表示二极管不加磁场时的情况,B取+或B取-表示磁场的方向不同。从图中可以看出： 输出电压一定,磁场为正时,随着磁场强度增加,电流减小,表示磁阻增加,磁场为负时,随着磁场强度向负方向增加,电流增加,表示磁阻减小。 同一磁场之下,电流越大,输出电压变化量也越大。7/19/202276共一百九十四页图7.26 Ge磁敏二极管的伏安(f n)特性曲线 7/19/202277共一百九十四页图7.27 Si磁敏二极管的伏安(f n)特性曲线 Si磁敏二极管的电流(dinli)-电压特性曲线如图7.27所示。7/19/202278共一百九十四页2. 磁电特性

37、在给定(i dn)条件下,把磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系叫做磁敏二极管的磁电特性。图7.28给出了磁敏二极管的磁电特性曲线。单个使用时,正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度。互补使用时,正向特性与反向特性曲线基本对称。磁场强度增加时,曲线有饱和趋势；在弱磁场下,曲线有很好的线性。 7/19/202279共一百九十四页图7.28 磁敏二极管的磁电特性(txng)曲线 7/19/202280共一百九十四页3. 温度特性温度特性是指在标准测试条件下,输出电压变化量U随温度变化的规律(gul),如图7.29所示。从图中可以看出, 元件受温度影响较大。反映(fnyng)温度特性的好环,可用U0和U

38、温度系数来表示。其参数大小如表7.2所示。 7/19/202281共一百九十四页图7.29 磁敏二极管（单个使用）的温度(wnd)特性曲线 7/19/202282共一百九十四页表7.2 Ge、Si磁敏二极管的U0及U温度(wnd)系数 7/19/202283共一百九十四页4. 磁灵敏度磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法。 （1）在恒流条件(tiojin)下,偏压随磁场变化,电压相对磁灵敏度SU为 式中：U0是磁场强度为零时,磁敏二极管两端的电压；UB是磁场强度为B时,磁敏二极管两端的电压。SU的测量电路如图7.30所示。7/19/202284共一百九十四页图7.30 电压相对(xingdu)磁

39、灵敏度测量电路 7/19/202285共一百九十四页（2） 在恒压条件下,偏流随磁场变化,电流(dinli)相对磁灵敏度SI为式中：I0是给定偏压下,磁场为零时,通过磁敏二极管的电流；IB是给定偏压下,磁场为B时,通过磁敏二极管的电流。SI的测量电路如图7.31所示。 7/19/202286共一百九十四页图7.31 电流(dinli)相对磁灵敏度测量电路 7/19/202287共一百九十四页 （3） 按照标准测试,在给定电源E和负载电阻R的条件(tiojin)下,电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度被定义为式中：U0、I0是磁场为零时,磁敏二极管两端的电压和流过的电流；UB、IB是磁场为B时,磁

40、敏二极管两端的电压和通过的电流。测定SRU和SRI的电路如图7.32所示。7/19/202288共一百九十四页图7.32 标准(biozhn)测试方法电路原理图 7/19/202289共一百九十四页7.4.4 磁敏二极管的补偿技术1. 互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路如图7.33(a)所示。使用该电路时,应选用特性相近的两只管子,按相反(xingfn)磁极性组合,即管子磁敏感面相对或相背重叠放置,或选用磁敏对管,将两只管子串接在电路上。2. 热敏电阻温度补偿电路热敏电阻温度补偿电路如图7.33(b)所示。 7/19/202290共一百九十四页图7.33 温度补偿(bchng)电路 7/19

41、/202291共一百九十四页7.5 磁敏三极管7.5.1 磁敏三极管的结构1. Ge磁敏三极管的结构Ge磁敏三极管的结构及电路符号如图7.34所示。它是在弱P型准本征半导体上用(shn yn)合金法或扩散法形成三个极。有发射极e,基极b,集电极c。相当于在磁敏二极管长基区的一个侧面制成一个高复合区r。7/19/202292共一百九十四页图7.34(a) NPN型Ge磁敏三极管的结构(jigu)和电路符号 7/19/202293共一百九十四页2. Si磁敏三极管Si磁敏三极管是用平面工艺制造的,其结构如图7.35所示。它一般采用N型材料,通过二次硼扩散工艺,分别形成(xngchng)发射区和集电

42、区,然后扩磷形成(xngchng)基区而制成PNP型磁敏三极管。由于工艺上的原因,很少制造NPN型磁敏三极管。 7/19/202294共一百九十四页磁敏三极管也是以长基区为主要(zhyo)特征,以锗管为例,其结构示意和工作原理图7.34（b）锗磁敏三极管结构(jigu)和原理7/19/202295共一百九十四页图7.35 Si磁敏三极管的结构(jigu)7/19/202296共一百九十四页7.5.2 磁敏三极管的工作原理如图7.36（a）所示,当不受磁场作用时,由于磁敏三极管基区长度大于载流子有效扩散长度,因此发射区注入载流子除少部分输入到集电极c外,大部分通过e-i-b,形成基极电流。由此可

43、见,基极电流大于集电极电流,所以电流放大倍数=IcIb1。如图7.36(b)所示,当受到H+磁场作用时,由于受洛伦兹力影响,载流子向发射区一侧偏转(pinzhun),从而使集电极电流Ic明显下降。当受到H-磁场作用时,如图7.36(c)所示,载流子受洛伦兹力影响,向集电区一侧偏转,使集电极电流Ic增大。 7/19/202297共一百九十四页图7.36 磁敏三极管工作(gngzu)原理示意图7/19/202298共一百九十四页6.5.3 磁敏三极管的特性1. 伏安特性图7.37示出了磁敏三极管的伏安特性曲线。图7.37（a）为无磁场作用时的伏安特性；图7.37（b）为在恒流条件下,Ib=3 mA

44、,磁场为正、负1kGs时集电极电流(dinli)Ic的变化情况。 7/19/202299共一百九十四页图7.37 磁敏三极管的伏安(f n)特性曲线 7/19/2022100共一百九十四页NPN型Ge磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）的磁电特性曲线如图6.38所示。从图中可见,在弱磁场情况下,3BCM磁敏三极管的磁电特性接近(jijn)线性变化。NPN型Ge磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）的磁电特性曲线如图7.38所示。从图中可见,在弱磁场情况下,3BCM磁敏三极管的磁电特性接近线性变化。 7/19/2022101共一百九十四页图7.38 3BCM磁敏三极管的磁电特性(txng) 7/19/20

45、22102共一百九十四页3. 温度特性3BCM磁敏三极管的温度特性曲线(qxin)如图7.39所示。图7.39（a）为基极恒压时的温度特性曲线(qxin),图7.39(b)为基极恒流时的温度特性曲线(qxin)。当温度从T1升到T2时,集电极电流Ic的温度灵敏度系数表达式为式中,Ic (T0)表示T0=25 时的集电极电流。7/19/2022103共一百九十四页图7.39 3 BCM磁敏三极管的温度(wnd)特性7/19/2022104共一百九十四页除了用dI表示之外,也可以用磁灵敏度h来表达。当温度从T1升到T2时,磁灵敏度h的变化值可用磁灵敏度温度系数表示为6.5.4 温度补偿技术同磁敏二

46、极管一样,磁敏三极管的温度依赖性也较大。若使用Si磁敏三极管,注意到其集电极电流具有负温度系数的特点,可采用以下(yxi)几种方法进行温度补偿。1. 利用正温度系数普通硅三极管进行补偿其电路如图7.40(a)所示。7/19/2022105共一百九十四页图7.40 温度补偿(bchng)电路 7/19/2022106共一百九十四页2. 利用磁敏三极管互补电路由PNP和NPN型磁敏三极管组成的互补式补偿电路如图7.40(b)所示。如果图中两种磁敏三极管集电极温度特性完全一样,则互补电路的输出电压(diny)不随温度发生漂移。3. 采用磁敏二极管补偿电路由于Ge磁敏二极管的电流随温度升高而增加,利用

47、这一特性可将其作为Ge磁敏三极管负载以补偿输出电压的漂移,如图6.40(c)所示。4. 采用差分补偿电路用两只磁、电等特性一致,而磁场特性相反的磁敏三极管组成差分补偿电路。这种补偿方法可提高磁灵敏度。其电路如图7.40(d)所示。 7/19/2022107共一百九十四页6.6 磁敏传感器的应用(yngyng)6.6.1 霍尔元件(yunjin)的应用1. 霍尔位移传感器如图7.41(a),在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时,霍尔电势UH与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dBdx为一常数（见图7.40(b)）,则当霍尔

48、元件沿x方向移动时,霍尔电势的变化为7/19/2022108共一百九十四页式中,k是位移传感器的输出灵敏度。将上式积分后得 UH=kx式(7.16)说明,霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性反映了元件位移的方向。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x=0,即元件位于(wiy)磁场中间位置上时,UH=0。这是由于元件在此位置受到方向相反、大小相等的磁通作用的结果。霍尔位移传感器一般可用来测量12mm的小位移。其特点是惯性小,响应速度快,无接触测量。利用这一原理还可以测量其它非电量,如力、压力、压差、液位、加速度等。 7/19/2022109共一百九十四页图7.41

49、霍尔位移(wiy)传感器的磁路结构示意图 (a) 磁路结构；（b） 磁场变化 7/19/2022110共一百九十四页2. 霍尔磁极检测器使用霍尔元件可以很方便(fngbin)地制作检查磁铁N极、S极的磁极检测器。磁极检测器的电路如图7.43所示。电路中使用了输出电压大的InSb霍尔元件H1。H1在恒压条件下工作,电阻R1(330)是限流电阻,发光二极管是电流指示灯。在霍尔元件中流过的电流Ic为 式中：Ucc为电源电压；ULED为发光二极管的正向电压；RH为霍尔元件的电阻。图中选用的霍尔元件的RH=300 ,使Ic约为100 mA。 7/19/2022111共一百九十四页图7.43 磁极(cj)

50、检测器电路 7/19/2022112共一百九十四页霍尔电压UH由运算放大器A1和A2放大100倍,N极、S极可用满刻度为0.2的模拟表指示。当然，使用在调谐器中所用的调谐指示比较方便。被测磁铁很大时,表针可能会超过指示范围,为此要加上二极管V1和V2,将加在表上的电压限制在0.60.7 V。为了保证表头上流过0.2mA的电流,取R3=3k。由于有二极管V1和V2的限流作用,R2可取2k,流过二极管的最大电流约有4 mA。该检测器使用简便,当用它靠近被测磁铁,表针就会指示出极性。电路图中的Rw用于调整霍尔传感器的偏移电压。没有磁铁靠近时,表针应处在中心(zhngxn)位置,改变Rw,便可达到零点

51、调整。7/19/2022113共一百九十四页H1是由先锋公司精密生产的InSb霍尔元件,霍尔电压130300 mV（12 mA,1 kGs)，非一致性35 mV%,输入电阻150600 ,最大工作电流20 mA。4. 霍尔转速测量仪利用霍尔效应测量转速有两种可行的方案(fng n),分别如图7.44(a)和6.44(b)所示。图7.44(a) 中将永磁体安装在旋转轴的轴端；图7.44(b)中是将永磁体安装在旋转轴的轴侧。霍尔元件放置于磁体的气隙中,当轴转动时,霍尔元件输出的电压则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后,便可求得转速的数据。 7/19/2022114共一百九十四页

52、 图7.44 利用霍尔效应(xioyng)测量转速的方案（a） 永磁体安装在轴端；（b）永磁体安装在轴侧7/19/2022115共一百九十四页霍尔转速表原理(yunl) 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(zhng xng)后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。7/19/2022116共一百九十四页霍尔转速表 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(gibin)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、整形后可以确定被测

53、物的转速。SN线性霍尔磁铁7/19/2022117共一百九十四页霍尔转速(zhun s)传感器霍尔转速(zhun s)传感器结构输入轴输入轴霍尔传感器（a） （b） 7/19/2022118共一百九十四页7/19/2022119共一百九十四页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 a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置(wi zhi)时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。7/19/2022

54、120共一百九十四页霍尔式压力(yl)传感器 霍尔压力(yl)传感器结构原理图霍尔元件磁钢压力P波登管N SS N7/19/2022121共一百九十四页角位移测量仪 角位移测量仪的结构如图所示。霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个(y )恒定的磁场中转动，于是霍尔电势 就反应了转角 变化。7/19/2022122共一百九十四页霍尔计数(j sh)装置霍尔计数(j sh)装置及电路(a)工作示意图霍尔开关传感器绝缘板磁铁NS( b) 电路图 +12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2计数器7/19/2022123共一百九十四页汽车(qch)霍尔电子点火器电路R6DW1R7V1

55、+12VCR5D1R4R3R1R2磁钢R8D2DW2HV2V3当霍尔传感器输出(shch)低电平时，V1截止，V2、V3导通，点火器的初级绕组有恒定的电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，V1导通， V2、V3 截止，点火器的初级绕组电流截止，此时储存在点火线圈中的能量由初级绕组以高压放电的形式输出，即放电点火。7/19/2022124共一百九十四页5. 用霍尔元件测量电流(dinli)用霍尔元件测量工程上的大直流电流,往往具有结构简单、成本低廉、准确度高等诸多优点。常用的测量方法有： 旁测法；贯串法；绕线法等。1） 旁测法旁测法是一种较简单的方法,其测量方案如图7.45所示。将霍尔元件放置在通

56、电导线附近,给霍尔元件加上控制电流,被测电流产生的磁场将使霍尔元件产生相应的霍尔输出电压,从而可得到被测电流的大小。该法只适宜于那些要求不很高的测量场合。7/19/2022125共一百九十四页2） 贯串法贯串法是一种较实用的方法,其测量方案如图7.46所示。该法是把铁磁材料做成磁导体的铁心,使被测通电导线贯串它的中央,将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中,于是(ysh),可通过环形铁心来集中磁力线。当被测导线中有电流流过时,在导线周围就会产生磁场,使导磁体铁心磁化成一个暂时性磁铁,在环形气隙中就会形成一个磁场。通电导线中的电流越大,气隙处的磁感应强度就越强,霍尔元件输出的霍尔电压UH就

57、越高,根据霍尔电压的大小,就可以得到通电导线中电流的大小。该法具有较高的测量精度。 7/19/2022126共一百九十四页图7.45 旁测法 7/19/2022127共一百九十四页图7.46 贯串(gunchun)法 7/19/2022128共一百九十四页霍尔电流(dinli)传感器演示铁心(ti xn) 线性霍尔IC EH=KH IB 7/19/2022129共一百九十四页霍尔钳形电流表（交直流两用(lin yn)）压舌豁口(huku)7/19/2022130共一百九十四页结合实际应用(yngyng),还可把导磁铁心做成如图7.47所示的钳式形状或非闭合磁路形状等。7/19/2022131共

58、一百九十四页 图7.47 贯串(gunchun)法的两种形式（a） 钳式；（b） 非闭合磁路式 7/19/2022132共一百九十四页3） 绕线法 磁心绕线法是又一种测量方案,其原理如图7.48所示。它是用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。把被测通电导线绕在导磁铁心上,据有关文献资料报道,若霍尔传感器选用SL3501M,则每1安1匝在气隙处可产生0.0056 T的磁感应强度(qingd)。若测量范围是020A,则被测通电导线绕制9匝,便可产生约00.1 T的磁感应强度(qingd)。此时, SL3501M会产生约1.4 V的电压输出。 7/19/2022133共一百九十四页图7.48

59、绕线法 7/19/2022134共一百九十四页6. 霍尔开关按键霍尔开关按键是由霍尔元件装配键体而成的开关电键。霍尔电路用磁体作为触发媒介,当磁体接近霍尔电路时,产生一个电平信号,霍尔按键就是依靠改变磁体的相对位置来触发电信号的。霍尔开关是一个无触点的按键开关。霍尔电路具有(jyu)一定的磁回差特性,在按下按键过程中,即使手指有所抖动,也不会影响输出电平的状态。按键的输出电平由集成元件的输出级提供,电平的建立时间极短。因此,霍尔按键是一个无触点、无抖动、高可靠、长寿命的按键开关。南京半导体器件总厂生产的HKJ系列霍尔开关按键已有7种型号,每种型号内又各有6个品种,如直键、斜键、弹簧式发光键、插

60、片式发光键及带控制端的按键等。 7/19/2022135共一百九十四页霍尔式接近(jijn)开关 用霍尔IC也能完成接近开关的功能，但是(dnsh)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。 在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍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（否则将撞坏霍尔IC）起到限位的作用。 7/19/2022136共一百九十四页广泛用于计算机的各种输入键盘,各种控制设备中的控制键盘,各种面板上的按键开关,手动脉冲发生器等。其技术性能指标为：电键按力50g、120 g、300 g；按键全行程50.5