第9章 20145012磁敏传感器

第九章磁敏传感器2023/2/12023/2/1在各种传感器中，磁敏传感器是使用得较早的一种，指南针便是最古老的磁敏传感器。电流通过线圈时，在线圈周围产生磁场，若线圈中的磁通量发生变化，则线圈产生感应电动势，这就是磁电感应现象。因此线圈是将磁量变成电量的最简单的磁电转换元件。如果将磁场加到半导体等材料上，材料的电性质就发生变化，这就是磁电效应。凡是利用磁电效应构成的传感器称为磁电式传感器或磁敏传感器。2023/2/1磁敏传感器磁场电能测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向结构结型体型磁敏二极管磁敏三极管——霍尔传感器磁敏电阻——

磁敏传感器的物理基础1、磁现象：磁荷不能单独存在，必须N、S成对存在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等于零，即divB=02、磁通(磁感应强度)变化与电动势的关系：2023/2/12023/2/1霍尔元件一、霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。2023/2/1霍尔元件二、霍尔元件工作原理：

如图所示N型半导体薄片，于垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，在薄片左右两端通以控制电流I。2023/2/1bIdUHfEvflB半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力fL(洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后断面间形成电场。该电场产生的电场力fE阻止电子继续偏转。2023/2/1分析：2023/2/1式中：-电子浓度

在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。2023/2/1RH—霍尔系数，取决于载流子材料的物理性质，反映了材料的霍尔效应的强弱。n、RH，故金属导体不适于制作霍尔元件，而半导体材料迁移率（尤其是N型半导体）大，故RH

。

kH—灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小；

SH表示单位电流、单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。

SH与元件的厚度成反比，d、SH，但考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。dr内阻

d

—薄片厚度。

UH＝KH

IB2023/2/1讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件;绝缘材料电阻率ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小,不适用;半导体材料电阻率ρ较大RH大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）;由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm)。2023/2/1注：1、当电流I的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时输出电势不改变方向。2、如果磁场和薄片法线有θ角，那么：

VH＝KHIBcosθ2023/2/1a)实际结构(mm)；(b)简化结构外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍尔电极R4三、霍尔元件的结构2023/2/1材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度特性及线性度好灵敏度最高、受温度影响大2023/2/1霍尔器件符号ACDBHABCDABCD霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。电流端子A、B称为器件电流端、控制电流端。端子C、D称为霍尔端或输出端。实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入；通过霍尔电势输出测量结果。2023/2/1四、主要技术参数及特性（1）额定激励电流IH——霍尔元件的允许温升规定着一个最大控制电流。（2）不平衡电势U0不等位电势、零位电势——IH、B=0、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在同一等位面上材料不均匀、工艺不良（3）输入电阻Ri、输出电阻R0Ri——

控制电流电极间的电阻R0——

输出霍尔电势电极间的电阻B=0欧姆表2023/2/1（4）基本特性直线性：指霍尔器件的输出电势UH分别和基本参数

I、U、B之间呈线性关系。灵敏度KH：

乘积灵敏度：霍尔元件的输出电压要由磁感应强度B和控制电流I的乘积来确定,表示霍尔电势UH与两者乘积之间的比值，通常以mV/(mA·0.1T)。UH＝KH

IB2023/2/1KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。若控制电流值固定，则：UH＝KBB若磁场值固定，则：UH＝KII2023/2/1VHR3VBIEIH霍尔器件的基本电路R控制电流I；霍尔电势VH；控制电压V；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。

图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件。五、基本电路2023/2/1六、霍尔元件的误差及其补偿

产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。（一）零位误差

1、不等位电势U0及其补偿

B=0，I≠0，UH=U0≠0。U0为不等位电势。2023/2/1产生原因：①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上，或激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。2023/2/1产生原因：②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀，

等电位面歪斜。2023/2/1不等位电势的补偿：不等位电势可表示为U0=r0IH(r0为不等位电阻)分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U0≠0，可在电阻大的桥臂上并联电阻。2023/2/12023/2/1（二）霍尔元件温度误差及补偿

霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时,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,致使霍尔电动势变化，产生温度误差。以下是几种补偿方法：2023/2/11、采用恒流源供电和输入回路并联电阻思路：由UH=KHIB可见恒流源I供电可使UH稳定，但灵敏度系数KH=RH/d=ρμ/d也是温度的函数：Tρμ，温度T变化时灵敏度KH也变化。多数霍尔器件是正温度系数，TKH

，可通过减小I保持KH*I不变，抵消温度造成KH增加的影响。2023/2/11、采用恒流源供电和输入回路并联电阻2023/2/1

温度时，元件灵敏度系数为,输入电阻为，温度为t时，他们分别为，因为因此霍尔元件内阻温度系数霍尔电势的温度系数确定并联电阻的值：2023/2/1温度为t时温度时为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证2023/2/1将有关式代入可得通常霍尔电势的温度系数远小于霍尔元件内阻温度系数，因此霍尔元件内阻温度系数霍尔电势的温度系数2023/2/1（一）霍尔式位移传感器①霍尔元件处于中间位置位移Δx=0时，由于B=0，所以UH=0②霍尔元件右移,Δx>0，合成磁感应强度B向上,B≠0，UH>0③霍尔元件左移，Δx<0，合成磁感应强度B向下,B≠0，UH<0。七、霍尔传感器的应用2023/2/1磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：1~2mm2023/2/12、霍尔压力传感器工作原理：把压力先转换成位移，应用霍尔电势与位移的关系测量压力。3、霍尔磁极检测器(图4.43)工作原理：在控制电流一定的情况下，通过霍尔电压的极性可判断磁场的方向，即确定磁铁磁极。霍尔压力传感器结构原理

2023/2/14、转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧2023/2/15、测量电流测量大直流电流（10kA），霍尔元件测量电流原理：检测通电导线周围的磁场导线旁测法简单、测量精度差、受外界干扰大2023/2/1（2）导线贯穿磁芯法环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度由霍尔元件装配键体而成的开关电键。工作原理：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。特点：无触点按键开关2023/2/16、霍尔开关按键2023/2/1霍尔效应集成电路技术开关信号磁敏传感器

霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量(测转速、开关控制、判断NS极性)，并以开关信号形式输出，分为常开、常闭型两种。

八、霍尔集成传感器2023/2/1

由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。1．霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+－稳压VCC1霍尔元件放大BT整形地H2023/2/1霍尔开关集成传感器的原理及工作过程：当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管V导通，且具有吸收电流的负载能力，这种状态我们称它为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的VH电压很小，经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形器再次翻转，输出低电平，使半导体管V截止，这种状态我们称它为关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。2023/2/1

3020T输出VoutR=2kΩ+12V123（b）应用电路

（a）外型

霍尔开关集成传感器的外型及应用电路1232023/2/12、工作特性121086420——

工作点“开”——

释放点“关”——

磁滞高低，开状态低高，关状态2023/2/1注：该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。

霍尔开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。2023/2/12023/2/1磁阻元件一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）磁阻效应

载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向的偏转使电流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越强。外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象称磁阻效应。2023/2/1磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电——

磁感应强度为B时的电阻率——

零磁场下的电阻率——

电子迁移率——

磁感应强度式中，电阻率变化电阻率相对变化磁敏电阻：InSb、InAs2023/2/12023/2/12023/2/1磁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。2023/2/1磁敏二极管

1．磁敏二极管的结构与工作原理

（1）磁敏二极管的结构

磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号+（b）H+H-N+区p+区i区r区电流（a）2023/2/1特点：磁敏二极管的PN结有很长的基区，大于载流子的扩散长度，基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。结构：在本征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，并在本征区（i）区的一个侧面上，设置粗糙的高复合区(r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯。2023/2/1（2）磁敏二极管的工作原理

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不同而不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下分析。2023/2/1PNPNPNH=0H+H-→→→←←←电流电流电流(a)(b)(c)iii电子孔穴复合区磁敏二极管的工作原理示意图磁场H=0：少量电子和空穴在I区、r区复合，大部分P区空穴N区电子形成电流。正向磁场H+：电子和空穴由于洛仑兹力作用偏向r区，并在r区很快复合，I区载流子减小，电阻增大，电流减小，压降增加。反向磁场H-：电子和空穴偏向r区对面，复合减少，I区载流子增加，电阻减小，电流增加，压降减小。2023/2/1结论(磁敏二极管工作原理)：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。2023/2/1

2．磁敏二极管的主要特性（1）伏安特性

。213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T-0.1T-0.15T-0.2T0磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管

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。2023/2/1磁敏二极管伏安特性曲线（b）硅二极管531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40

硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式：

一种如图（b）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。2023/2/1磁敏二极管伏安特性曲线（c）硅二极管-0.2531I/mA481216U/V-0.100.10.40.30.2-0.30

另一种如图(c)所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。

产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增。2023/2/1（2）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，叫做磁敏二极管的磁电特性。具有正反磁灵敏度，这是磁阻元件欠缺的。但正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度，需互补使用。

2023/2/1

磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0ΔU/V

磁敏二极管单个使用时的磁电特性曲线：特点：单个使用时，正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度；2023/2/1

磁敏二极管的磁电特性曲线（b）互补使用时B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V

磁敏二极管互补使用时的磁电特性曲线：特点：互补使用时，正向特性曲线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；但在弱磁场下，曲线有较好的线性。2023/2/1（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（或无磁场作用时中点电压）随温度变化的规律，如下图所示：2023/2/1ΔU/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)ΔU由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。2023/2/1（4）磁灵敏度磁敏二极管的三种磁灵敏度：

(a)电压相对磁灵敏度（Su）:

在恒流条件下，偏压随磁场的变化,即：u0—磁场强度为零时，二极管两端的电压；uB—磁场强度为B时，二极管两端的电压。(b)电流相对磁灵敏度（Si）:

在恒压条件下，偏流随磁场的变化,即：2023/2/1I0—磁场强度为零时，通过二极管的电流；IB—磁场强度为B时，通过二极管的电流。2023/2/1(c)

按照标准测试，在给定电压源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：特别注意:如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。(5)

磁敏二极管的温度补偿技术：由于磁敏二极管受温度的影响较大，在实际应用中会带来很大的误差，为了提高测试精度，必须进行补偿处理，补偿电路有：

互补式、半桥式、全桥式、热敏电阻式2023/2/12023/2/1磁敏三极管

1．磁敏三极管的结构与原理（1）磁敏三极管的结构

NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个极——即发射极、基极、集电极所形成的半导体元件。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部分。2023/2/1图2.6-33NPN型磁敏三极管的结构和符号a)结构b)符号rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i2023/2/1

当不受磁场作用时，由于磁敏三极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c外，大部分通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=Ic／Ib＜1。复合基区输运基区（2）磁敏三极管的工作原理2023/2/1

当受到H＋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H-磁场使用时，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。复合基区输运基区复合基区输运基区总结：

磁敏三极管与磁敏二极管的工作原理完全相同，在正向或负向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加。因此，可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变化量。2023/2/12023/2/12．磁敏三极管的主要特性

（1）伏安特性

/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=－0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA图2.6-35磁敏三极管伏安特性曲线磁敏三极管在基极恒流条件下(Ib=3mA)的集电极电流的变化；磁敏三极管不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。2023/2/1（2）磁电特性

磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。3BCM(NPN型)锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图所示:B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3图2.6-363BCM磁敏三极管电磁特性由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。2023/2/1（3）磁灵敏度磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种。其定义如下：

—受正向磁场B+作用时的集电极电流；

—受反向磁场B-作用时的集电极电流；

—不受磁场作用时，在给定基流情况下的集电极输出电流。(2.6-32)2023/2/1(4)温度特性

磁敏三极管对温度也是敏感的。

图2.6-373BCM磁敏三极管的温度特性(a)基极电源