第6章磁电式传感器

第6章磁电式传感器2/6/20231学习目的掌握霍尔传感器的工作原理与特性，熟悉霍尔传感器件了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元件的工作原理和特性2/6/202326.1概述6.2霍尔式传感器的工作原理与特性6.3磁敏传感器

6.4磁电式传感器的应用

本章小结复习思考题主要内容返回主目录2/6/202336.1概述磁电感应式传感器是通过磁电转换将被测非电量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器。1820年奥斯特首次通过实验发现电流的磁效应。1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律。根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。最简单的把磁信号转换为电信号的磁电传感器就是线圈。2/6/202346.1概述随着科技发展，现代磁电传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用在被测物上，使物质的电性能发生变化的物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。磁电式传感器的种类较多，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。本章主要介绍霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等常用半导体磁传感器的原理、特性和应用。2/6/202351879年，美国物理学家霍尔经过大量的实验发现：如果让恒定电流通过金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势。这个现象后来被人们称为霍尔效应。但是由于这种效应在金属中非常微弱，当时并没有引起人们的重视。1948年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了砷化稼、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。返回本章目录2/6/20236用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。霍尔传感器可以做得很小（几个平方毫米），可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将它卡在环形铁心中，可以制成大电流传感器。霍尔传感器还广泛用于无刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量等。它的最大特点是非接触测量。返回本章目录2/6/202376.2霍尔传感器的工作原理与特性6.2.1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。图6-12/6/202386.2霍尔传感器的工作原理与特性如图6-1所示，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图6-12/6/20239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

图6-1霍尔效应与霍尔元件所以霍尔电场的强度为（6-2）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（6-3）2/6/202310设---霍尔系数，得设---霍尔灵敏度，则（6-5）反映材料霍尔效应的强弱，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

（6-6）2/6/202311霍耳电势与材料的关系通过以上分析，可以看出⑴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/nq⑵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。2/6/202312霍耳电势与材料的关系2）元件的长宽比对UH也有影响。L/W加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。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（6-6）加以形状效应修正：(6-7）式（6-7）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)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.9962/6/202313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，会烧坏霍耳元件。2/6/2023146.2.2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6-2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×0.1mm。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6-2霍尔元件2/6/202315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：指控制电极间的电阻值。（3）输出电阻：指霍尔电势输出极之间的电阻值。（4）最大磁感应强度：磁感应强度超过时，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。2/6/202316主要特征参数2/6/202317（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6-3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6-3霍尔元件的不等位电势（6）霍尔电势温度系数：在磁感应强度及控制电流一定清况下，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。2/6/2023186.2.3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。2/6/2023196.2.3集成霍尔传感器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6-4所示。图6-4线形霍尔集成传感器结构2/6/2023202.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6-5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。图6-5霍尔开关集成传感器内部结构框图2/6/2023212.开关型霍尔集成传感器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。图6-5霍尔开关集成传感器内部结构框图2/6/2023222.开关型霍尔集成传感器当磁场减弱时，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6-5霍尔开关集成传感器内部结构框图2/6/2023232/6/202324

霍耳元件其他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。

II返回本章目录2/6/2023256.3 磁敏传感器6.3.1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。2/6/2023266.3 磁敏传感器在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图6-8a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6-8b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6-8磁阻元件工作原理示意图2/6/202327磁阻效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（6-8）2/6/202328磁阻效应的表达式设电阻率的变化为则电阻率的相对变化为（6-9）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。2/6/2023292.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

（6-10）2/6/2023302.磁敏电阻的形状式中—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6-9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6-9磁敏电阻的形状2/6/202331磁阻元件2/6/2023323.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6-10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6-10磁敏电阻的B-R特性2/6/202333（2）灵敏度K磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：（6-11）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K≥2.7。2/6/202334（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。2/6/2023356.3.2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。

2/6/2023361.磁敏二极管的结构磁敏二极管是PN

结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种，结构如图6-11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。图6-11磁敏二极管结构示意图2/6/2023371.磁敏二极管的结构与普通二极管区别：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。图6-11磁敏二极管结构示意图2/6/2023382.工作原理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。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6-12磁敏二极管工作原理示意图2/6/2023393.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6-13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6-13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2/6/202340（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6-14所示。不同种类的磁敏二极管伏安特性也不同。图6-14磁敏二极管伏安特性曲线2/6/202341（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0.6%/℃。而锗磁敏二极管的温度系数小于-60mV／℃，的温度系数小于1.5%/℃。所以，规定硅管的使用温度为-40～＋85℃，而锗管则现定为-40～＋65℃。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6-15所示。图6-15磁敏二极管温度特性2/6/202342（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6-16所示。图6-16锗磁敏二极管频率特性2/6/2023436.3.3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6-17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和复合基区两部分。图6-17磁敏晶体管结构与符号2/6/2023442.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，使集电极电流增大图6-18磁敏晶体管工作原理示意图2/6/2023452.工作原理由此可以看出，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。2/6/2023463.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6-19所示。在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。图6-193BCM的磁电特性2/6/202347（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6-20a为不受磁场作用时磁敏晶体管的伏安特性曲线图6-20b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6-20磁敏晶体管伏安特性曲线2/6/202348（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-0.6％/℃。3BCM的温度特性曲线如图6-21所示。

图6-213BCM磁敏晶体管的温度特性返回本章目录2/6/2023496.4磁电式传感器的应用6.4.1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；2/6/2023506.4磁电式传感器的应用应用：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。2/6/202351把探头放在待测磁场中，探头的磁敏感面要与磁场方向垂直。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）2/6/2023522/6/2023532.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。2/6/2023542.电流测量（电流计）

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6-22。图6-22霍尔元件测量电流2/6/2023552/6/2023562/6/2023572/6/2023583.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6-23所示。转速计算公式为：图6-23霍尔转速表齿盘的齿数输出脉冲数转速（转/分）2/6/2023592/6/2023604.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6-24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（6-13）图6-24角位移测量仪2/6/2023615.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