第9章 磁敏式传感器

第二篇常用传感器的原理及应用1.掌握传感器工作原理及特性2.掌握测量误差及补偿（霍尔元件）3.了解传感器的应用第9章磁敏式传感器半导体磁敏式传感器霍尔元件磁敏电阻磁敏二极管磁敏晶体管9.1霍尔传感器

1、霍尔效应与霍尔元件霍尔效应：置于磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生电动势的现象称为霍尔效应。

霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果——霍尔电场。其中，kH：霍尔常数（灵敏度），取决于材质、温度、元件尺寸（厚度）

：磁场与元件法线方向的夹角。

霍尔电势（UH）为：显然，改变I或B，即可改变UH。UH=kHIBcos霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。4×2×0.1mm3

激励电极霍尔电极霍尔元件在测量电路中一般有两种表示方法。霍尔元件的基本电路霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。霍尔元件的连接电路2、霍尔元件的材料及主要特性参数霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。主要特性参数：额定激励电流IH灵敏度KH

输入电阻Ri与输出电阻R0不等位电势U0和不等位电阻r0

当磁感应强度B为零、激励电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）U0。不等位电势U0与额定激励电流IH之比称为不等位电阻（零位电阻）r0.

产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。霍尔电势温度系数、内阻温度系数等3、测量误差及其补偿不等位电势误差及其补偿霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为r1、r2、r3、r4，霍尔元件可等效为一个四臂电阻电桥。

（a）不等位电势（b）霍尔元件等效电路能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题。温度误差及其补偿常用的补偿电路包括：恒流源激励并联分流电阻补偿电路；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系数的电阻或合理选取负载电阻的阻值补偿电路等等。假设初始温度为T0时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为Ri0，选用的补偿电阻RP0，被分流掉的电流为Ip0，激励电流Ic0，霍尔元件的灵敏度KH0。当温度升为T时，上述各参数相应为：Ri、RP、Ip、Ic、KH，且有关系分别为输入电阻、分流电阻及灵敏度的温度系数

由电路于是

对于确定的霍尔元件，其参数是确定值，可由上式求得分流电阻RP0及要求的温度系数，为此，此分流电阻可取温度系数不同的两种电阻进行串并联。当温度变化ΔT时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：4、霍尔集成传感器

将霍尔元件与放大、整形等电路集成在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。

差动输出线性霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器5、霍尔传感器的应用霍尔位移传感器输出电势为UH1—UH2。在初始位置时UH1=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。

结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。

霍尔转速测量传感器霍尔加速度传感器霍尔振动传感器霍尔流量计无损探伤9.2磁敏电阻

1、磁阻效应

当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化的这种现象称为磁阻效应。

在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。与霍尔效应的区别：即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。

磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。

2、磁敏电阻的结构与特性

磁敏电阻常选用InSb、InAs和NiSb等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型（栅状结构）。主要特性：磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度特性：温度系数影响大；频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍尔元件大。3、磁敏电阻的应用

磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位移、力、加速度等参数的测量。R1、R2磁敏电阻位移传感器

9.3磁敏二极管和磁敏三极管

磁敏二极管和磁敏三极管是一种PN结型的新型磁电转换器件，它具有输出信号大、灵敏度高（约为霍尔元件的数百至数千倍）、工作电流小、体积小等特点，在磁场、转速、探伤等检测与控制中应用广泛。1、磁敏二极管工作原理磁场强度的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。

主要特性伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流的关系。磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。温度特性：温度系数的影响。频率特性：与材料、尺寸有关。

2、磁敏三极管在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。当受到正向磁场(H+)作用时，载流子向发射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。

主要特性（普通三极管）伏安特性：