第9章 磁敏式传感器

传感器技术与应用2第9章磁敏式传感器9.1磁敏式传感器概述9.2霍尔传感器9.3磁敏电阻传感器第9章知识目标（1）掌握霍尔效应及其类型划分；（2）理解霍尔传感器的灵敏度和霍尔系数的定义及其意义；（3）掌握开关型、线性型霍尔传感器的输出特性；（4）掌握霍尔传感器的不等位电势的定义及其补偿方法；（5）掌握磁阻效应及其类型划分；（6）掌握磁敏电阻传感器B-R特性。3第9章能力目标（1）能够准确理解霍尔效应与磁阻效应之间的联系与区别；（2）能够正确选择和应用霍尔传感器和磁敏电阻传感器。459.1磁敏式传感器概述

磁敏式传感器是指利用各种磁电物理效应（霍尔效应、磁阻效应）或磁电感应原理，将受到振动、位移、转速等非磁电信息影响的磁物理量（感应电动势、磁感应强度、磁通）的变化转换成可用电信号的传感器。制作磁敏式传感器的材料主要有石墨烯、磁性金属材料、半导体材料等。1.基本测量原理62.类型划分73.典型应用（1）无刷电动机调速磁敏式传感器对无刷电动机的转速、转子位置、电流等参数进行监测，从而实现无刷电机的自动调速。（2）电力电网监控

磁敏式传感器通过检测电力电网中电压与电流等参量的变化，以及变压器、发电机等具体的电力设备的磁场的变化、温度的变化、位置的变化等，对电力电网的运行状态实现监控，辅助电力电网的智能化管理。8（3）汽车电子

磁敏式传感器在汽车电子领域应用广泛：③用于汽车的碰撞保护和安全气囊控制系统，保护人员安全。……①检测发动机的运行状态获得车辆的速度、加速度以及温度等参数。②检测车辆的方向盘角度、车身倾斜角度等参数，获得汽车的位置和姿态，实现汽车自动驾驶和导航等功能。9②脑磁图仪是利用磁敏式传感器检测脑部神经元兴奋性突触后电位产生的电流形成的生物电磁场以了解大脑的状态。……（4）医学检测①磁控胶囊胃镜机器人利用磁敏式传感器实现对胃镜机器人位置和姿态的精确控制。109.2霍尔传感器9.2.1霍尔效应

指在外加磁场作用下或者在没有外加磁场的情况下，通电的导体或半导体材料在垂直于电流的方向产生电动势的现象。1.霍尔效应定义

被广泛应用于微位移、加速度、转速、角度、流量等参量的测量。被用于制作高斯计、钳形交流电流表、功率计、接近开关，以及对金属管道实现漏磁无损检测等。霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。2.霍尔传感器应用113.霍尔效应类型划分常规霍尔效应于1879年由美国物理学家约翰·霍尔发现于1881年由美国物理学家约翰·霍尔发现124.经典霍尔效应简称霍尔效应霍尔效应原理解析图

根据洛伦兹力定律，自由电子在洛伦兹力FL作用下（左手定则），向半导体材料的内侧偏转，形成负电荷的积聚，而半导体材料的外侧会留下不能移动的正离子和带正电荷的空穴，形成正电荷的积聚。因此半导体材料的外侧与内侧之间就形成了一个内电场，称为霍尔电场。霍尔效应原理解析:

当霍尔电场形成后，半导体材料中的自由电子在受到洛伦兹力FL作用的同时也受到电场力FE的作用，两种力的作用方向相反。直至两力大小相等，霍尔电场处于动态平衡状态。此时霍尔电场对应的电势差称为霍尔电势UH。135.霍尔灵敏度与霍尔系数以正电荷受到的洛伦兹力方向为正，则单个自由电子受到的洛伦兹力FL求解式:单个电子的电荷量（元电荷）电子定向运动的平均速率单个自由电子受到的电场力FE的求解式：霍尔电场的电场强度霍尔电势半导体材料的宽度，即霍尔电场正、负电极之间的距离14当N型杂质半导体材料的霍尔电场达到动态平衡状态时：半导体材料内部电子电流微观表达式：15霍尔灵敏度霍尔灵敏度——反映霍尔元件在单位激励电流和单位磁感应强度作用下产生的霍尔电势的大小。霍尔系数霍尔系数——由霍尔元件材料的性质决定，反映材料霍尔效应的强与弱。结论：霍尔元件通常制作成薄片形状，提高霍尔灵敏度。166.霍尔电势的求解通式霍尔相位角磁场方向与激励电流方向也可以成任意夹角179.2.2霍尔元件与霍尔传感器霍尔传感器的核心构成是霍尔元件。霍尔元件是双端输入、双端输出的四端元件。霍尔元件的图形符号形式多样，常见类型：1与1՛为激励电极；2与2՛为霍尔电极18

霍尔传感器是在霍尔元件的基础上，根据不同功能需要集成了辅助的功能电路，通常比霍尔元件具有更高的测量精度和稳定性。霍尔传感器实物图片示例199.2.3霍尔传感器输出特性1.开关型霍尔传感器霍尔开关输出信号为开关量，具有无触点，功耗低，使用寿命长，响应频率高等特点。

霍尔开关内部构成主要包括霍尔元件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、集电极开路输出级等功能电路。

根据输出端信号高、低电平切换与磁场的南极、北极的关联性不同，霍尔开关分为单极、双极和全极三种类型。20（1）

单极霍尔开关单极霍尔开关能感应识别磁场的一个固定磁极，磁场南极（S极）或者磁场北极（N极）。主要应用于转速计、计数器、流量计，以及电机控制等领域。南极靠近丝印面输出特性曲线TO-92S封装形式的HL2102对磁场的南极（S极）感应工作点释放点导通阈值截止阈值回差常用的单极霍尔开关型号有OH3144、MT4102、HL2102等。21注意：对于采用SOT23-3贴片封装形式的HL2102，其丝印面对磁场的北极（N极）感应。22HL2102基本应用电路：上拉电阻23（2）双极霍尔开关

双极霍尔开关是通过磁场的两个磁极分别控制输出端的高、低电平状态，即霍尔开关对磁场的两个磁极对应不同的输出电平状态。根据磁场消失后是否保持原输出状态，双极霍尔开关分为锁存型和非锁存型两种类型。被广泛应用于计算机、手机、数码相机、家用电器，以及自动化生产线上的物料搬运系统等。

常用的双极锁存型霍尔开关型号有SS466A、ME1177、A1221LUA、HAL513、CC6205、FS177等。24双极锁存型霍尔开关FS177：25（3）全极霍尔开关全极开关无极性霍尔开关

全极霍尔开关的工作特性不区分磁场的南极或北极，只要有磁极靠近，且磁感应强度达到工作点BOP后，其输出端就呈现低电平；只要磁极远离，且磁感应强度低于释放点BRP后，其输出端就呈现高电平。常用型号有HAL2201、AH463、OCH1661、A3213等。262.线性型霍尔传感器主要由霍尔元件、线性放大器、电压跟随器等功能电路构成。线性型霍尔传感器输出量为模拟电压，与磁感应强度成比例关系。线性型霍尔传感器输出特性曲线图

线性型霍尔传感器在一定的磁感应强度范围内，输出电压与磁感应强度成线性关系。如果磁感应强度超出了线性区域，输出电压将趋于饱和。27

线性霍尔传感器可以应用于位移、位置、压力、力矩、应力、交流电流、交流电压等参量的测量。常用型号有SS495、A1236、CH605等。线性型霍尔传感器位移检测示意图289.2.4不等位电势及其补偿=0≠00不等位电势2.不等位电势存在的主要原因：（1）霍尔电极安装位置不对称或者不在同一等电位面。（2）半导体材料不均匀或几何尺寸不均匀，导致电阻率不均匀。（3）激励电极端接触不良，造成激励电流分布不均匀。1.不等位电势定义29

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，在某些情况下，不等位电势甚至可能超过霍尔电势，是霍尔传感器产生零位误差的主要因素。3.不等位电势补偿常用的不等位电势补偿方法是电桥法。霍尔元件等效电路

补偿电路示例1补偿电路示例2309.3磁敏电阻传感器磁阻传感器磁敏电阻传感器的工作原理基于磁阻效应，以磁阻元件为转换元件，将磁场的变化转换为阻值的变化。

广泛应用于铁磁物质探伤、图形识别、直线位移、角位移、磁通量、压力、流量等的测量。9.3.1磁阻效应磁阻效应——指导体或半导体材料的电阻值随外加磁场的变化而变化的现象。31于1856年由英国物理学家威廉·汤姆森发现。磁阻效应物理磁阻效应几何磁阻效应321.物理磁阻效应磁电阻率效应指导体或半导体材料的电阻率随着外加磁场的变化而变化的现象。

外加磁场与外加电场相垂直外加磁场与外加电场相平行纵向磁阻效应不显著33横向磁阻效应的原理解析：

在霍尔效应产生的过程中，载流子在洛伦兹力作用下发生偏转，导致了载流子在材料内部运动的路径变得弯曲延长。这令载流子发生碰撞，导致散射的机率增大，电流密度降低，最终导致电阻率升高，电阻值增大，此种现象称为物理磁阻效应。342.几何磁阻效应

指在相同的磁场作用下，半导体磁阻元件几何形状不同对应不同的电阻阻值的现象。即磁阻效应的强与弱与半导体材料的几何形状联系紧密。

通电的半导体磁阻元件在外加磁场作用下，内部载流子受到洛伦兹力FL发生偏转，形成霍尔电场。同时电场力FE作用于载流子，方向与FL反向。由于磁阻元件1与1՛电极引脚端对霍尔电场起到短路作用，因此在靠近两电极引脚的区域，霍尔电场非常弱，接近为零，此处FL>>FE，因此载流子运动方向相对于外加电场Uext的方向偏转角度α较大，载流子在磁阻元件内部的运动路径延长，电阻值变大。35注意：与几何磁阻效应紧密相关的参量是磁阻元件的几何形状的长宽比。几何磁阻效应越弱几何磁阻效应越强增加许多平行等间距的金属条，即短路条，增强磁阻效应。369.3.2磁敏电阻元件磁阻元件（MagneticResistor，MR）磁阻元件是磁敏电阻传感器的核心转换元件。1.磁阻元件材料372.磁阻元件结构形式长方形栅格形曲折形圆盘形栅格形半导体磁阻元件结构构成示意图科尔宾元件磁阻效应示意图科尔宾元件383.磁阻元件图形符号4.磁阻元件基本特性（a）图形符号1（b）图形符号2（c）图形符号3磁阻元件一般用电阻率的相对变化反映磁阻效应的强度。在一定温度和磁感应强度下，磁电阻率的求解式：磁场强度为B时的磁电阻率零磁场时的磁电阻率载流子迁移率结论：在磁感应强度B恒定时，载流子迁移率高的磁阻元件材料对应的磁阻效应更显著。39磁阻元件B-R特性曲线

在低于0.1T的弱磁场中，B-R特性曲线非线性特征显著；当磁感应强度高于0.1T后B-R特性曲线线性度良好。405.磁阻元件典型应用（1）

用作磁敏电阻传感器的核心转换元件，可以实现位移、磁场、速度、角度等非电量的测量。（2）

用于制作开关磁阻电机，广泛应用于电动车、纺织工业、煤矿、家电等领域。（3）

用于构建模拟运算电路，实现线性、非线性运算，例如：乘法、除法、平方、立方等运算。（4）用于制作磁阻随机存储器（Magneto-resistiveRandomAccessMemory，MRAM），是一种具有非易失性、高速读写能力和高集成度等特点的存储器技术。419.3.3磁敏电阻传感器典型应用1.磁敏电阻传感器结构构成磁敏电阻传感器一般结构构成2.三端差分磁敏电阻传感器：配合直流双臂电桥测量转换电路，在提高测量灵敏度的同时实现对温度的补偿。423.三端差分磁敏电阻传感器应用案例：检测示意图桥式测量转换电