第九章磁敏传感器

9.1霍尔传感器9.2磁敏电阻9.3结型磁敏管第9章磁敏传感器磁场电信号

9.1霍尔传感器

磁场电压UH9.1.1霍尔效应

当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图9-1所示。这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。图9-1霍尔效应原理图

9.1霍尔传感器

在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fLfL=evB(9-1)偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fEfE=eEH=eUH/b(9-2)平衡时，fL=fE，即evB=eUH/b(9-3)由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度)，则电流强度为I=-nevbd(9-4)所以(9-5)式中，d—霍尔片度；n—电子浓度；RH=1/ne—霍尔系数；KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。9.1霍尔传感器

从式(9-3)知，霍尔电压UH与载流子的运动速度v有关，即与载流子的迁移率有关。由于=v/El(El为电流方向上的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为RH=（9-6）

金属导体：大，但小（n大）；绝缘体：大（n小），但小；它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。半导体：、适中—适宜作霍尔元件。9.1霍尔传感器

霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关：

KH=1/ned厚度d越小越好，一般d=0.01mm；宽度b加大，或长宽比（l/b）减小时，将会使UH下降，应加以修正式中，f(l/b)—形状效应系数，如表9-2所示。一般取l/b=2~2.5，则f(l/b)1，就足够了。9.1霍尔传感器

图9-1霍尔元件示意图a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图9.1霍尔传感器9.1.2霍尔元件主要技术参数

1.输入电阻Ri和输出电阻Ro

Ri

Ro，Ri、Ro=100~2000。

2.额定控制电流Ic—使霍尔元件在空气中产生10C温升的控制电流Ic=(几~几十)mA。

3.不等位电势U0和不等为电阻R0霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电极间的电势为不等位电势U0，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。等效为不等为电阻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（mV/mA·T或mV/mA·kGs）。9.1霍尔传感器

5.寄生直流电势UoD在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD。它主要是由于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。

6.霍尔电势温度系数为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C）。

7.电阻温度系数为温度变化1C时，霍尔元件电阻变化的百分（%/C）

8.灵敏度温度系数为温度变化1C时，霍尔元件灵敏度的变化率。

9.线性度表9-3列出几种霍尔元件的主要技术性能。9.1霍尔传感器9.1.3基本误差及其补偿9.1.3.1温度误差及其补偿

温度变化，导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔灵敏度（KH）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减温度误差，需采取温度补偿措施。

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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，如图9-2所示。图9-2恒流源及输入并联电阻温度补偿电路9.1霍尔传感器

由补偿电路图知，在温度t0和t时

(9-8)(9-9)(9-10)(9-11)当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则

(9-12)将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得

(9-13,14)9.1霍尔传感器

2．选取合适的负载电阻RL

霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数(设为正温度系数)，霍尔元件应用时，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R。的变化必然会引起负载上输出电势的变化。RL上的电压为式中，Ro0—温度为t0时霍尔元件的输出电阻。要使负载电压UL不随温度变化，即9.1霍尔传感器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，可在输入回路中串人适当电阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式(9-14)。9.1霍尔传感器

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的霍尔元件。图9-3示出了采用热敏元件进行温度补偿的几种不同连接方式的例子。图中ri为激励源内阻r(t)、R(t)为热敏元件如热电阻或热敏电阻。通过对电路的简单计算便可求得有关的R(t)和r(t)的阻值。图9—3采用热敏元件的温度误差补偿电路(a)、(b)、(c)为电压源激励；(d)为电流源激励9.1霍尔传感器

9.1.3.2零位误差及其补偿

霍尔元件的零位误差主要有不等位电势Uo和寄生直流电势UoD等。不等位电势Uo如图9-4(a)所示。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图9-4(b)所示。除了工艺上采取措施降低Uo外，还需采用补偿电路加以补偿。如图9-4(c)所示。

改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交流供电亦可以。图9-4不等位电势补偿电路(a)不等位电路；(b)等效电路；(c)补偿电路9.1霍尔传感器

9.1.4霍尔元件的应用电路

1.基本应用电路

图9-5所示为霍尔元件的基本应用电路。由于霍尔元件必须在磁场B与控制电流Ic作用下才会产生霍尔电势UH，所以在实际应用中，可以把Ic和B的乘积、或者Ic、或者B作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IcB或Ic或B。通过霍尔元件的电流Ic为则9-5霍尔元件基本应用电路

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图9-6为霍尔元件的几种偏置电路：(a)是无外接偏置电阻的电路。适用于RH较大的霍尔元件(b)是在电源正端与霍尔片之间串接偏置电阻R的电路。适用RH较小的霍尔元件；(c)是在电源负端与霍尔片之间串接电阻R的电路。适用于RH较小元件。图9-6霍尔元件偏置电路9.1霍尔传感器

2．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，如图9-7所示。图9-7霍尔元件的驱动方式(a)恒流驱动；(b)恒压驱动9.1霍尔传感器

3．霍尔元件的连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片霍尔元件叠加的连接方式。如图9-8(a)所示，直流供电，输出电势UH为单片的两倍。图9-8(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的初级绕阻，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。图9-8霍尔元件叠加连接方式(a)直流供电；(b)交流供电9.1霍尔传感器

图9-9GaAs霍尔元件的输出电路(a)线性应用；(b)开关应用

4．霍尔电势的输出电路霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏数量级，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，如图9-9所示。9.1霍尔传感器

如果霍尔电压信号仅为交流输出时，可采用图9-10所示差动放大电路，用电容隔掉直流信号即可。图9-10交流霍尔电压放大电路9.1.5集成霍尔器件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器件—集成霍尔器件，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。9.1霍尔传感器9.1.5集成霍尔器件

9.1霍尔传感器图9-02线性集成霍尔器件输出特性

(a)(b)图9-01线性集成霍尔器件(a)外形尺寸；(b)内部电路框图9.1.5集成霍尔器件

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(a)(b)图9-03开关型集成霍尔器件(a)外形尺寸；(b)内部电路框图图9-04开关型线性集成霍尔器件的施密特输出特性9.1.5集成霍尔器件

9.1霍尔传感器(a)(b)图9-05差动输出线性集成霍尔器件(a)外形；(b)内部电路框图图9-06差动输出线性集成霍尔器件输出特性9.1霍尔传感器

1．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，它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9-11所示。图9-11霍尔线性集成器件(a)单端输出(UGN3501T)；(b)差动输出(UGN3501M)9.1霍尔传感器

UGN3501T的电源电压与相对灵敏度的特性如图9-12所示，由图可知Ucc高时，输出灵敏度高。UGN3501T的温度与相对灵敏度的特性如图9-13所示，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。

图9-12Ucc与相对灵敏度关系

图9-13温度与相对灵敏度关系9.1霍尔传感器

UGN3501T的磁场强度与输出电压特性如图9-14所示，由图可见，在0.15T磁场强度范围内，有较好的线性度，超出此范围时呈饱和状态。UGN3501的空气间隙与输出电压特性如图9-15所示，由图可见，输出电压与空气间隙并不是线性关系。图9-14磁场强度与输出电压关系

图9-15空气间隙与输出电压关系

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UGN3501M为差动输出，输出与磁场强度成线性。UGN3501M的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9-16所示。图9-16UGN3501M的输出与磁场方向关系9.1霍尔传感器

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。输出特性如图9-17所示。图9-17UGN3501M输出与磁场强度关系路

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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图9-18所示，由图可以看出，在空气间隙为零时，每移动0.01英寸(0.254mm)输出为3mV，即相当11.8mV/mm，当采用高能磁钢(如钐钴磁钢或钕铁硼磁钢)，每移动1mm时，能输出30mV，并且在一定距离内呈线性。图9-18移动距离与输出关系

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2．霍尔开关集成器件

常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，其外形与UGN3501T相同。图9-19霍尔开关集成器件(a)

内部结构框图；（b）工作特性；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特性9.1霍尔传感器9.1.6霍尔传感器的应用

1．位移测量

图9-20霍尔位移测量（a）结构；（b）输出特性9.1霍尔传感器

2．力(压力)测量

如图9-21所示，当力F作用在悬臂梁上时，梁将发生变形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压即可测出力的大小。力与电压输出有一些非线性时，可采用电路或单片机软件来补偿。图9-21霍尔力传感器9.1霍尔传感器

3．角度测量

如图9-22(a)所示，将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中，其输出霍尔电势UH为

图9-22霍尔角度检测9.1霍尔传感器

4．霍尔加速度传感器

霍尔加速度传感器的结构原理及输出特性如图9-23所示。图9-23霍尔加速度传感器9.1霍尔传感器

5．霍尔电流传感器

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；构成电流表。UGN3501M霍尔电流传感器原理如图9-24所示。图9-24霍尔电流传感器9.1霍尔传感器

利用UNG3501M霍尔电流传感器与液晶数显电路组成数显电流表，如图9-25所示。0~50A电流显示0.00~50.0。

图9-25数显霍尔电流表9.1霍尔传感器

6．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，则霍尔器件便可用于负载功率测量。图9-26是霍尔功率传感器原理图。图9-26霍尔器件测电功率9.1霍尔传感器

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，即则霍尔电压uH平均值为

若将图9-26中的电阻R改用电容C代替，使ic移相90，则可测无功功率

Q，即9.1霍尔传感器

霍尔元件还可以完成乘方和开方功能。

乘方运算极为简单，只需将电流端子和电磁铁的线圈串联起来，使输入电流Ii既形成磁感应强度B，又给元件提供控制电流Ii，结果必然得到UH∝Ii2的关系，见图9-27所示。图9-27霍尔元件平方器

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霍尔元件开方器是利用平方负反馈原理实现的。在图9-28(a)中，设放大器的放大倍数足够大，则可认为放大器的输入信号≈0，于是整个电路的输入电压Ui和负反馈电压UH几乎相等，即Ui≈UH。若负反馈方框是用和图9-27一样的霍尔平方器构成的，即如图9-28(b)所示，则输出电流Io必然正比于Ui的平方根，即故得图9-28霍尔元件开方器

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7.霍尔高斯计

在磁场强度为0.IT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9-29所示。电源电压为8~16V。在5、6脚接一个20的调零电位器，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。图9—29简易高斯计

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8.霍尔计数装置

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，其应用电路及计数装置如图9-30所示。图9-30钢球计数装置及电路图

从图中还可以看出，霍尔器件也是一种接近开关。

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9.霍尔转速传感器

图9-31为霍尔转速测量装置电路图。当磁钢与霍尔器件重合时，霍尔传感器输出低电平，信号经非门整形后，形成脉冲，然后经ADVFC32把频率转换成模拟电压输出，再送人ICL7106进行转换和驱动LCD。为了提高转速测量的分辨率，可增加薄片圆周上磁钢的个数。图9—31霍尔转速测量装置

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10.霍尔开关电子点火器

图9-32为霍尔开关电子点火器分电盘及电路原理图。在分电盘上装几个磁钢(磁钢数与汽缸数相对应)，在盘上装一霍尔开关器件，每当磁钢转到霍尔器件时，输出一个脉冲，经放大升压后送人点火线圈。图9-32霍尔开关电子点火器9.1霍尔传感器

11．霍尔电机

霍尔无刷直流电机工作原理如图9-33所示。电机的转子是由磁钢制成(一对磁极)，定子由四个极靴绕上线圈W1、W2、W3、W4组成，各个线圈都通过相应的三极管VT1～VT4供电。四个开关型霍尔器件H1～H4配置在四个极靴电极上。可实现电机的双极性、四状态电子换向电路。图9—33霍尔直流无刷电机工作原理图9.2磁敏电阻9.2.1磁阻效应

某些材料(如霍尔元件)的电阻值受磁场的影响而改变的现象称为磁阻效应，利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻。在外加磁场作用下，某些载流子受到的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。电阻的增值可以用载流子在磁场作用下的平均偏移角—霍尔角来衡量，平均偏移角与磁场B及载流子迁移率之间有如下关系tan=B(9-21)9.2磁敏电阻

磁阻效应(物理)方程为B=0(1+0.2732B2)(9-22)式中，B一存在磁感应强度为B时的电阻率；0一无磁场时的电阻率；一电子迁移率；B一磁感应强度。电阻率的变化为=B0，则电阻率的相对变化为/0=0.2732B2=K2B2(9-23)物理磁阻效应

磁阻效应几何磁阻效应半导体磁敏电阻

磁敏电阻

强磁性金属薄膜磁敏电阻9.2磁敏电阻9.2.2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9-34所示的几种形式，这些形状不同的半导体薄片都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，因此出现图中箭头所示的路径(箭头代表电子运动方向)。图9-34半导体磁敏电阻元件内电流分布(a)纵长形器件;(b)横长形器件;(c)科比诺圆盘;(d)栅格式器件9.2磁敏电阻

半导体磁敏电阻效应与器件几何形状(l／w)之间关系为/0≈K(B)21f(l／w)(9-24)式中，l，W，一分别为器件的长和宽；f(l／w)一形状效应系数。对于以上讨论的四种形状的磁敏电阻，其形状效应特性可表示为图9-35(a)所示曲线；磁敏电阻的特性(灵敏度)如图9-35(b)；应用电路多接成分压形式，如图9-35(c)。图9-35半导体磁敏电阻特性及应用电路

9.2磁敏电阻

半导体磁敏电阻的材料与霍尔元件的要求相似，通常也是InSb和InAs等(当B>1时，RB／R0～B进入线性区，若取B=0.3T，要满足B>1，则>3.3104cm2／V·s，由此选择材料)，片的厚度也是尽可能小。实用的半导体磁敏电阻制成栅格式，它由基片、电阻条和引线三个主要部分组成。基片又称衬底，一般用0.1～0.5mm厚的高频陶瓷片或玻璃片，也可以是硅片经氧化处理后作基片；基片上面利用薄膜技术制作一层半导体电阻层，其典型厚度为20m；然后用光刻的方法刻出若干条与电阻方向垂直排列的金属条(短路条)，把电阻层分割成等宽的电阻栅格，其横长比w/l>40；磁敏电阻就是由这些条形磁敏电阻串联而成的，初始电阻约为100，栅格金属条在100根以上。通常用非铁磁质如Φ50~100m的硅铝丝或Φ10~20m的金线作磁敏电阻内引线，而用薄紫铜片作外引线。9.2磁敏电阻

除了以上栅格式之外，还有一种由InSb和NiSb构成的共晶式半导体(在拉制InSb单晶时，加入1％的Ni，可得InSb和NiSb的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1m左右，长约100m，许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用，见图9-36。由于InSb的温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。图9-36共晶式半导体磁敏电阻9.2磁敏电阻9.2.3强磁性金属薄膜磁敏电阻

具有高磁导率的金属称为强磁性金属。强磁性金属处于磁场中时，主要产生两种效应：强制磁阻效应和定向磁阻效应。磁场强度H大于某一磁场H1的强磁场时，产生强制磁场效应，电阻率随H增加而下降，负的磁阻效应。当H<H1的弱磁场情况下，产生定向磁阻效应，电阻率随磁场与输入磁敏电阻的电流之间的夹角而变化，即与方向有关，=0或180时，即磁场H的方向与器件中电流I的方向平行时，不论方向一致或相反，器件的电阻率(记为)变为最大；=90，即H与I相互垂直时，其电阻率(记为)变为最小。目前强磁性磁阻器件主要利用它的定向磁阻效应。9.2磁敏电阻

如果把金属在无磁场作用时的初始电阻率用0表示，在平行于电流方向的磁场作用下所引起的电阻率增加量用表示(=0)，在垂直于电流方向的磁场作用下所引起的电阻率的减小量用表示(=0)，则总的变化量为=+，而/0反映材料对磁场的灵敏度。含镍80％～73％及钴20％～27％的合金具有比一般强磁性金属更大的/0值，常用来制作磁敏电阻。9.2磁敏电阻

强磁性磁敏电阻用真空镀膜技术和光刻腐蚀工艺制成图9-37(a)所示的三端器件。AB间及BC间几何尺寸和阻值都一样，但两者的栅条方向成90º。若有磁场强度H按图中方向平行纸面作用于该器件，且与AB间栅条平行，与BC间栅条垂直，则电阻RAB最大而RBC最小，这时按图9-37(b)接成的分压电路输出电压UO最低；若H的方向顺时针或逆时针转过=90，则RAB最小而RBC最大，输出UO将最高。图9-37强磁性金属磁敏电阻结构及应用电路9.2磁敏电阻

不难推断，若=±45，则H与两种栅条的交角一样，一定能使RAB=RBC，分压输出UO将为电源电压1/2。以此时的输出UO为初始电压，将磁场方向、磁场强度H、输出电压变化量U三者画成曲线，即图9-38。图中1—2—3—4—1形成环线，这是磁滞回线，可见在磁场强度HH，的范围内，U的大小与H的增减方向有关，有多值性(不确定性)，在此范围内不能应用。当H>H之后，磁滞回线重合，这时输出电压变化量U才和H、有确定关系。上述H称为“可逆磁场强度”。在H<H<Hs的范围内，U仍然与H有关，只有当H>Hs之后才成为水平直线，此时U与H无关而仅仅取决于，此处Hs称为“饱和磁场强度”。但H不能大于某一值H1。9.2磁敏电阻根据上述特点，若采用较强的磁场使得Hs<H<Hl，并且令磁场的方向平行于图9-37的纸面旋转，则分压输出UO将只取决于磁场的转角，运用这一原理就能构成无滑点的电位器。若磁场连续不断地旋转，则UO将呈正弦曲线变化，于是便可构成正弦信号发生器或转速传感器。图9-38金属磁敏电阻特性9.2磁敏电阻9.2.4磁敏电阻传感器的应用

9.2.4.1磁敏电阻器件

磁敏电阻器件一般在衬底上作两个相互串联的磁敏电阻，或四个磁敏电阻接成电桥形式，以便用于不同场合，其线路形式如图9-39所示。图9-39磁敏电阻线路结构

磁敏电阻的阻值为100到几k，工作电压一般在12V以下，频率特性好(可达MHz)，动态范围宽，噪声低(信噪比高)。9.2磁敏电阻1.MR214A/223A磁敏电阻的电阻值为100到几k，工作电压一般在12V以下，频率特性好(可达MHz)，动态范围宽，噪声低(信噪比高)。图9-40MR214A/223A外形及等效电路9.2磁敏电阻2．DMI106B(索尼)

DMI106B是在硅基板上附着强磁性体，其外形及等效电路如图9-41所示。图9－41DM106B的外形及等效电路

9.2磁敏电阻

DMI106B在8000A/m磁场强度下工作，应用于旋转磁场。当Ucc=5V时，输出可达80mV，功耗11W，其温度特性如图9-42所示。特性参数见教材表9-8。图9－42DM106B的温度特性9.2磁敏电阻3．FPC/FPA系列

FPC/FPA(田村)系列内部有放大器、整形电路(FPA并有发光二极管作工作状态指示)，其特点是信噪比高，具有良好的频率特性，可用于位置、旋转速度的检出，也可作接近开关。其输出电压与间隙特性如图9-43所示。它们的特性参数见教材表9-9。图9－43FPC/FPA系列输出电压与间隙特性9.2磁敏电阻4．M413A/414A

M413A/414A是由四个磁阻元件组成的器件，有两相输出，可测出旋转方向、角度等参数，其元件配置、外形及等效电路如图9-44所示。图9－44M413A/414A元件配置、外形及等效电路9.2磁敏电阻M413A/414A接线与输出波形如图9-45所示。图9－45M413A/414A接线及输出波形图9.2磁敏电阻5．BS系列

BS系列(图形识别传感器)磁阻元件除用来检测磁性体的位置及旋转外，主要用于纸币识别及磁性墨水印刷物识别等。在元件表面采用特殊金属层，具有良好的耐磨性。识别纸币的波形如图9-46(a)所示，如经过有磁性油墨印刷的“1000”字样时，输出信号很大，若是伪币则无此信号。这种传感器同样可检测用磁性墨水印刷的标签和磁尺上的信号。它的外形如图9-46(b)，特性参数见教材表9-10。图9－46BS外形及纸币真伪识别输出波形9.2磁敏电阻9.2.4.2应用买例

1.非接触式磁阻角度传感器非接触式角度传感器的外形及工作原理如图9-47所示。它是由两个半环形的磁阻元件组成，半圆形磁铁与磁阻元件之间的间隙为0.2mm左右，当磁铁转动时，磁铁则以差动方式将磁场加于两个磁阻元件上，可获得±50(机械角度)的线性范围。其输出电压与转角间特性如图9-48所示。图9-47角度传感器的外形及工作原理图图9-48角度传感器输出特性9.2磁敏电阻

这种非接触式磁阻角度传感器由于没有机械摩擦，所以工作寿命长；装置上安装了滚珠轴承，转动损耗也较小。这种传感器的输出电压为

由图9-48可以看出，其输出电压较大，在100范围内，输出线性电压大于2V。9.2磁敏电阻

2．磁阻式旋转传感器

磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转数或转速，若采用四磁阻元件传感器，还能检测旋转的方向。

采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理如图9-49所示。当齿轮的齿顶对准MRl，而齿根对准MR2时，MRl的电阻增加，而MR2的电阻不变，则UoutUin/2；另外，当齿轮的齿顶对准MR2，而齿根对准MRl时，则Uout

Uin/2；当齿顶(或齿根)在MRl和MR2之间时，Uout

Uin/2，其输出电压波形见图9-49。图9-49旋转传感器的工作原理

9.2磁敏电阻

采用四元件磁阻传感器时，传感器内磁阻元件与齿轮齿间间隔之间应满足一定关系，如图9-50所示。

PA(12)=PB(12)=T/2；PAB=T/4式中，PA(12)—A相元件MRAl和MRA2的间隔；PB(12)—B相元件MRBl和MRB2的间隔；PAB—A相元件MRAl和B相元件MRBl的间隔；T—齿轮的齿距。

图9-50内磁阻元件旋转传感器(a)电路图；(b)图形图由于A相与B相输出波形相位差90，所以很容易检测旋转方向和转速，转速的检测范围很宽，很适用于检测电动机的转速。9.2磁敏电阻

3．磁阻式图形识别传感器

图形识别传感器能检测纸片、纸币等上面的磁性图形或记号，输出相对应于图形的信号波形。由于磁性图形印刷在纸片上，所以检测信号十分微弱(比旋转传感器小三个数量级)，需经过放大电路放大(如图9-51所示)，由示波器或记录仪将波形显示出来。图9－51图形识别传感器放大电路9.3结型磁敏管

磁敏二极管和磁敏三极管(结型磁敏管)是长“基区”PN结型磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高(比霍尔元件大2～3个数量级)、工作电流小和体积小等特点，比较适合于磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。9.3结型磁敏管9.3.1磁敏二极管9.3.1.1磁敏二极管的结构

普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二极管的PN结有很长的基区，为载流子扩散长度的5倍以上，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二极管用＝40·cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的＝50·cm)，在它的两端有P型和N型锗并引出，若以i代表长基区，则其PN结实际上是由Pi结和iN结共同组成的P+—i—N+结型。在长基区i的一个侧面通过喷砂法破坏晶格表面使之形成复合速率很高薄层毛面—高复合区r，在其相对侧面是光滑的低复合表面。磁敏二极管结构如图9-52(a)所示。图9-52磁敏二极管结构和工作原理示意图

9.3结型磁敏管9.3.1.2磁敏二极管的工作原理

当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正)，则有大量的空穴(小圆圈代替)从P区通过i区进入N区，同时也有大量电子(小黑点代替)注入P区，这样形成电流，见图9-52(b)。只有少量电子和空穴在i区复合掉。当磁敏二极管受到垂直于纸面向内磁场B+作用时，如图9-52(c)所示，则电子和空穴受到洛伦兹力的作用而向高复合区r面偏转。这样一来载流子复合速率增大了，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。反之，在垂直于纸面向外的反向磁场B的作用下，电子、空穴受洛伦兹力作用而向低复合面偏转，见图9-52(d)，由于空穴、电子的复合速率明显变小，i区的等效电阻减小，电流变大。利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负)，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。因此，该器件仅能在正向偏压下工作。9.3结型磁敏管9.3.1.3磁敏二极管的主要特性

1．磁敏二极管的正向伏安特性

磁敏二极管的伏安特性如图9-53所示。图9-53磁敏二极管的伏安特性(a)锗管；(b)硅管，俘获中心作用强；(c)硅管，俘获中心作用弱9.3结型磁敏管

2．磁敏二极管的磁电特性

在给定条件下，磁敏二极管输出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(见图9-54(a)和图9-55)。单只使用时，正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场(0～0.1T)下有较好的线性，见图9-54(c)。图9-54磁敏二极管灵敏度测试9.3结型磁敏管

磁灵敏度是磁敏二极管的主要性能参数，根据使用情况不同，磁灵敏度有多种定义方法，这里介绍实用的标准测试方法：在一定的偏压源E和负载电阻RL下，在磁感强度变化量为B=0.1T(即从B=0开始，可正、负变化0.1T)时，输出电压或偏流的相对变化称为相对电压灵敏度KU或相对电流灵敏度KI，即为方便起见，习惯上用绝对灵敏度U+和U表示

测试电路如图9-54(a)所示。其测试标准条件：Ge磁敏二极管，E=9V，RL=3k；Si磁敏二极管，E=15V，RL=2k，或E=21V，RL=3k。9.3结型磁敏管

3．磁敏二极管的温度特性及其补偿

输出电压的温度系数与磁灵敏度温度系数：

Ge管，60mV/℃(0～40℃)；1％/℃；工作温度60℃；Si管，10mV/℃(20～120℃)；0.6％/℃；工作温度可高于120℃；

为了补偿磁敏二极管的温漂，可选择二只或四只特性一致的器件，让它们处在相反磁极下，组成互补式、差分式电路，如图9-55所示。图9-55磁敏二极管的温度补偿电路9.3结型磁敏管

4．频率特性

磁敏二极管的频率特性由注入载流子在“基区”被复合和保持动态平衡的弛豫时间所决定。因为半导体的弛豫时间很短，所以有较高的响应频率。磁灵敏度截止频率：Ge管，2kHz，Si管，可达100kHz。9.3结型磁敏管9.3.2磁敏三极管

9.3.2.1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，如图9-56(a)所示。在弱P型或弱N型本征半导体(高阻半导体)上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其基区结构类似磁敏二极管，在发射极e和基极b之间的PN结长基区也制作有高复合区r(对锗管)。9.3结型磁敏管图9-56磁敏三极管的结构和工作原理

9.3结型磁敏管9.3.2.2磁敏三极管的工作原理

以锗磁敏三极管为例说明其工作原理。锗磁敏三极管的基区可以分为两个：从发射极注入的载流子输运到集电极的输运基区；使从发射极和基极注入的载流子复合的复合基区。当磁敏三极管未受到磁场作用时，如图9-56(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。因而形成了共发射极直流电流增益Ic/Ib1。当处于共发射极偏置情况下的磁敏三极管受到正向磁场B作用时，由于磁场的洛伦兹力作用，载流子向复合区偏转，见图9-56(d)，导致集电极电流显著下降；同理，加反向磁场B时，载流子背离高复合区而偏向输运基区，见图9-56(e)，使集电极电流增加。可见，即使基极电流Ib恒定，外加磁场变化可以改变集电极电流Ic，这是和普通三极管不同之处。这样，可以利用磁敏三极管来测量磁场、电流、转速、位移等物理量。9.3结型磁敏管9.3.2.3磁敏三极管的主要特性

1.磁敏三极管的伏安特性

磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图9-57(a)为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；图9-57(b)是磁场为0.1T(kGs)、基极电流为3mA时的伏安特性曲线。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1，但其集电极电流有很高的磁灵敏度。图9-57磁敏三极管的伏安特性曲线

9.3结型磁敏管

2．磁敏三极管的磁电特性

磁敏三极管的磁电特性是在给定条件下，集电极电流的变化与外加磁场的关系，常用磁灵敏度表示，它是磁敏三极管应用的基础。国产NPN型3BCM(锗)磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场(0.2T内)作用下，接近线性，见图9-58。图9-583BCM的磁电特性