第6章-磁电式传感器课件

学习目的学习目的掌握霍尔传感器的工作原理与特性，掌握霍尔传感器的工作原理与特性，熟悉霍尔传感器件熟悉霍尔传感器件了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元 件的工作原理和特性件的工作原理和特性6.1 概述概述6.2 霍尔式传感器的工作原理与特性霍尔式传感器的工作原理与特性6.3 磁敏传感器磁敏传感器 6.4 磁电式传感器的应用磁电式传感器的应用 本章小结本章小结复习思考题复习思考题主要内容返回主目录返回主目录6.1 概述 磁电感应式传感器是通过磁电感应式传感器是通过磁电转换磁电转换将被测非电量（如振动、将被测非电量（如振动、位移、速度等）转换成位移、速度等）转换成电信号电信号的一种传感器。的一种传感器。18311831年英国物理学家法拉第发现年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律电磁感应定律。根据电磁。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的感应电动势感应电动势。最简单的把磁信号转换为电信号的磁电传感器。最简单的把磁信号转换为电信号的磁电传感器就是就是线圈线圈。现代磁电传感器是利用磁场作用在被测物上，使物。现代磁电传感器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。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霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管件、磁敏二极管、磁敏晶体管等常用半导体磁传感器的原理、等常用半导体磁传感器的原理、特性和应用。特性和应用。1879 1879 年，美国物理学家年，美国物理学家霍尔霍尔经过大量的实验经过大量的实验发现：发现：如果让恒定电流通过金属薄片，并将薄片置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强度成正比的电动势。这个现象后来被人们称为。这个现象后来被人们称为霍霍尔效应尔效应。但是由于这种效应在但是由于这种效应在金属中非常微弱金属中非常微弱，当时并，当时并没有引起人们的重视。没有引起人们的重视。1948 1948 年以后，由于半导体技年以后，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，并制成了体材料，并制成了砷化稼、锑化铟、硅、锗砷化稼、锑化铟、硅、锗等材料等材料的的霍尔元件霍尔元件。返回本章目录返回本章目录 用霍尔元件做成的传感器称为用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器霍尔传感器。霍。霍尔传感器可以做得很小（几个平方毫米），可以用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。它的最大特点中，可以制成大电流传感器。它的最大特点是非接是非接触测量触测量。磁敏电阻磁敏电阻一般用于磁场强度、漏磁、制磁的一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检检测测或在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、或在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、移位电压变换器等电路中作移位电压变换器等电路中作控制元件控制元件。磁敏二极管磁敏二极管和和磁敏晶体管磁敏晶体管多用于检测弱磁磁场，多用于检测弱磁磁场，无触点开关，位移测量，转速测量等。无触点开关，位移测量，转速测量等。6.2 霍尔传感器的工作原理与特性6.2.1 6.2.1 霍尔效应霍尔效应 在置于在置于磁场磁场中的中的导体导体或或半导体半导体内通入内通入电流电流，若，若电流与磁场电流与磁场垂直垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个上会出现一个电动势差电动势差，这种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器霍尔传感器。所。所产生的电动势称为产生的电动势称为霍尔电势霍尔电势。在长、宽、高分别为在长、宽、高分别为L L、W W、H H的半导体薄片的半导体薄片的相对两侧的相对两侧a a、b b通以控制电流，在薄片垂直方向加通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场以磁场B B。设图中的材料是。设图中的材料是N N型半导体，导电的载流型半导体，导电的载流子是子是电子电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由一个由c c侧指向侧指向d d侧方向力的作用，这个力就是侧方向力的作用，这个力就是洛仑洛仑兹力兹力。洛仑兹力。洛仑兹力F FL L用表示，大小为：用表示，大小为：电子电荷量电子电荷量载流子的载流子的运动速度运动速度磁感应磁感应强度强度图图6-16-1 在洛仑兹力的作用下，电子在洛仑兹力的作用下，电子向向d d侧偏转，使该侧形成侧偏转，使该侧形成负电荷负电荷的积累的积累，c c侧则形成侧则形成正电荷的积正电荷的积累累。这样，。这样，c c、d d两端面因电荷积两端面因电荷积累而建立了一个电场累而建立了一个电场E EH H,称为称为霍霍尔电场尔电场。该电场对电子的作用力。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力（电荷的继续积累。当电场力（）与洛仑兹力大小相等时，达到）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡动态平衡。这时有。这时有 图图6-1 6-1 霍尔效应与霍尔元件霍尔效应与霍尔元件设设 -霍尔系数，霍尔系数，设设 -霍尔灵敏度，则霍尔灵敏度，则反映材料霍反映材料霍尔效应的强尔效应的强弱，是由材弱，是由材料性质所决料性质所决定的一个常定的一个常数大小。数大小。霍尔灵敏度，它表示霍尔元件在霍尔灵敏度，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时产生的霍尔电势的大小。霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b霍尔电势与材料的关系通过以上分析，可以看出通过以上分析，可以看出 霍尔电压霍尔电压U UH H大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n n较大，导致较大，导致R RH H和和K KH H变小，故不宜做霍尔元件。霍尔元件一般变小，故不宜做霍尔元件。霍尔元件一般采用采用N N型半导体型半导体材料。材料。R RH H=1/nq=1/nq 霍尔电压霍尔电压U UH H与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：下几点：1 1）根据式）根据式 ，H H愈小，愈小，K KH H愈大，霍尔灵愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。但敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。但H H太小，会使元太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。2）元件的长宽比对元件的长宽比对U UH H也有影响。也有影响。L/WL/W加大时，控制电极对加大时，控制电极对霍尔电压影响减小。但如果霍尔电压影响减小。但如果L/WL/W过大，载流子在偏转过程中的过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使损失将加大，使U UH H下降，通常要对式其进行形状效应修正：下降，通常要对式其进行形状效应修正：为形状效应系数，其修正值如下为形状效应系数，其修正值如下表表所示。通常取所示。通常取L/W0.51.01.52.02.53.04.0f f(L(L/W/W)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.9963 3）霍尔电压霍尔电压U UH H与控制电流及磁场强度有关。根据式与控制电流及磁场强度有关。根据式 U UH H正比于正比于I I及及B B。当控制电流恒定时当控制电流恒定时，B B愈大，愈大，U UH H愈大。当磁愈大。当磁场改变方向时，场改变方向时，U UH H也改变方向。同样，当霍尔灵敏度也改变方向。同样，当霍尔灵敏度K KH H及磁及磁感应强度感应强度B B恒定时，增加控制恒定时，增加控制I,I,也可以提高霍尔电压的输出。也可以提高霍尔电压的输出。但但电流不宜过大电流不宜过大，否则，否则，会烧坏霍尔元件会烧坏霍尔元件。6.2.2 霍尔元件的结构和主要参数 霍尔元件是一种霍尔元件是一种四端型器件四端型器件，它由霍尔片、，它由霍尔片、4 4根引根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为尺寸一般为4mm 2mm 0.1 mm4mm 2mm 0.1 mm。通常为红色的两个。通常为红色的两个引线引线A A、B B 为控制电流，为控制电流，C C、D D 两个绿色引线为霍尔电两个绿色引线为霍尔电势输出线。势输出线。图图6-2 6-2 霍尔元件霍尔元件主要特征参数主要特征参数（1 1）额定控制电流）额定控制电流I I ：使霍尔片温升：使霍尔片温升1010所施加的控制电流值。所施加的控制电流值。（2 2）输入电阻）输入电阻 ：指控制电极间的电阻值。：指控制电极间的电阻值。（3 3）输出电阻）输出电阻 ：指霍尔电势输出极之间的电阻值。：指霍尔电势输出极之间的电阻值。（4 4）最大磁感应强度）最大磁感应强度 ：磁感应强度超过：磁感应强度超过 时，霍尔电势的时，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。非线性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。线性区线性区（5 5）不等位电势不等位电势：在额定控制：在额定控制电流下，当外加磁场为零时，电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称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，电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。等位电势引起的误差。图图6-3 6-3 霍尔元件的不等位电势霍尔元件的不等位电势（6 6）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数：在磁感应强度及控制电流一定清：在磁感应强度及控制电流一定清况下，温度变化况下，温度变化ll 相应霍尔电势变化的百分数。它与霍尔相应霍尔电势变化的百分数。它与霍尔元件的材料有关，一般为元件的材料有关，一般为0.1/0.1/左右。在要求较高场合，左右。在要求较高场合，应选择低温漂的霍尔元件。应选择低温漂的霍尔元件。6.2.3 霍尔集成传感器 将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳将霍尔敏感元件、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压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成传感器霍尔集成传感器。有些霍尔传感器的外形与有些霍尔传感器的外形与DIP DIP 封装的集成电路相同，封装的集成电路相同，故也称故也称集成霍尔传感器集成霍尔传感器。类型：分为类型：分为线性型霍尔传感器线性型霍尔传感器和和开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路线性型霍尔传感器线性型霍尔传感器线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的霍尔器件的输出特性曲输出特性曲线线。当磁场为零时，它。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的感受的磁场为正向磁场为正向（磁（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正正；磁场反向磁场反向时，输出时，输出为为负负。开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件尔器件如如UGN3020等。等。开关型霍尔集成电路的开关型霍尔集成电路的外形及内部电路外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OC门门输出）的接线输出）的接线 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大，抗振动干大，抗振动干扰能力就越强。扰能力就越强。BOP为工作点为工作点“开开”的磁场感应强度（输出电平的磁场感应强度（输出电平由高变低，传感器处于开状态），由高变低，传感器处于开状态），BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度的磁感应强度（输出电平由低变高，传感器处于（输出电平由低变高，传感器处于关状态）。关状态）。霍尔元件其他符号及代号霍尔元件其他符号及代号 国产器件常用H代表霍尔元件，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尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟（InSb）材料制成的元件。II霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，三个变量的函数，即即 EH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途使得霍尔传感器有许多用途。霍尔高斯计（特斯拉计）霍尔高斯计（特斯拉计）霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B两个变量的函数，即两个变量的函数，即 EH=KHIB。霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值霍尔转速表霍尔转速表 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，将线性型霍尔器件及磁路系统械系统中的一个齿轮，将线性型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、周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当当齿齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。时，输出为低电平。缺口检测缺口检测 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。势的变化，产生转速信号。霍尔霍尔元件元件磁铁磁铁霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在花及电刷磨损等问题，所以它在录像机、录像机、CD唱机唱机、光驱等家用、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。电器中得到越来越广泛的应用。普通直流电动机使用的普通直流电动机使用的电刷和换向器电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM调速调速光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构霍尔式接近开关霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。在右图中，当磁铁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距霍随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。霍尔式接近开关用于转霍尔式接近开关用于转速测量演示速测量演示n=6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的导将被测电流的导线穿过霍尔电流传感线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电器的检测孔。当有电流通过导线时，在导流通过导线时，在导线周围将产生磁场，线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍生与电流成正比的霍尔电压。尔电压。霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍线性霍尔尔IC EH=KH IB 霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口钳形表的环形铁钳形表的环形铁心可以张开，心可以张开，导线由此穿过导线由此穿过霍尔钳形霍尔钳形 电电流表演示流表演示霍尔钳形霍尔钳形 电流表演示电流表演示70.9A70.9A霍尔钳形电流表的使用霍尔钳形电流表的使用被测电流的导线从此处穿入钳被测电流的导线从此处穿入钳形表的环形铁心形表的环形铁心手指按下此处，将钳形表的手指按下此处，将钳形表的铁心张开铁心张开将被测电流导线逐根夹将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中到钳形表的环形铁心中霍尔式电流谐霍尔式电流谐波分析仪波分析仪 被测电流被测电流的谐波频谱的谐波频谱铁心的铁心的 开合缝隙开合缝隙 铁心的铁心的 杠杆压舌杠杆压舌6.3 磁敏传感器6.3.1 6.3.1 磁敏电阻磁敏电阻1.1.磁阻效应磁阻效应 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，除了产生流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应霍尔效应外，其外，其电阻也会随电阻也会随磁场变化磁场变化，这种现象称为，这种现象称为磁阻效应磁阻效应。在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量。在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，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使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角 。这使电流流通的这使电流流通的途径变长途径变长，导致元件两端金属电极间的，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，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。用光刻的方法插入金属电极和金属边界。磁阻效应的表达式磁阻效应的表达式 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，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理论推出磁阻效应的表达式为磁感磁感应强应强度度电子迁电子迁移率移率磁感应强磁感应强度为度为B时的时的电阻率电阻率设电阻率的变化为设电阻率的变化为则电阻率的相对变化为则电阻率的相对变化为 由上式可知，磁场一定，由上式可知，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显迁移率高的材料磁阻效应明显。InSbInSb（锑化铟锑化铟）和和InAsInAs（砷化铟）砷化铟）等半导体的载流子迁移率等半导体的载流子迁移率都很高，更适合于制作磁敏电阻都很高，更适合于制作磁敏电阻。2.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，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对变化与磁感应强度和迁移率的关系可用下式近似表示 式中式中 形状效应系数，形状效应系数，l l,b b分别为磁阻器件的长分别为磁阻器件的长度和宽度。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。这种圆盘形磁阻器件称为和边缘各有一个电极。这种圆盘形磁阻器件称为科尔比诺科尔比诺圆盘圆盘。这时的效应称。这时的效应称科尔比诺效应科尔比诺效应。因为圆盘的磁阻最大，。因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。故大多磁阻器件做成圆盘结构。图图6-9 6-9 磁敏磁敏电阻的形状电阻的形状磁阻元件3.磁敏电阻的基本特性 (1)B-R(1)B-R特性。它由特性。它由无无磁场时的电阻磁场时的电阻R R0 0和磁感应和磁感应强度强度B B时的电阻时的电阻R RB B来表示。来表示。随元件形状不同而异，随元件形状不同而异，R R0 0约为数十欧至数千欧，约为数十欧至数千欧，R RB B随磁感应强度变化而变随磁感应强度变化而变化。化。在在0.1T0.1T以下的弱磁场以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，中，曲线呈现平方特性，而超过而超过0.1T0.1T后呈现线性变后呈现线性变化。化。图图6-10 6-10 磁敏电阻的磁敏电阻的B-RB-R特性特性（2 2）灵敏度）灵敏度K K 磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：式中式中 磁感应强度为磁感应强度为0.3T0.3T时的值；时的值；无磁场时的电阻值。无磁场时的电阻值。一般情况下，磁敏电阻的灵敏度一般情况下，磁敏电阻的灵敏度K2.7K2.7。（3 3）温度系数）温度系数 磁敏电阻的温度系数约为磁敏电阻的温度系数约为-2-2/，这个值较大。为补偿磁敏电阻的温度特性，可采用这个值较大。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。两个元件串联成对使用，用差动方式工作。磁敏电位器（无触点开关）将半圆形磁钢（一种稀将半圆形磁钢（一种稀土永磁体）同心固定于磁土永磁体）同心固定于磁阻元件上，并与两个轴承阻元件上，并与两个轴承固定的转轴连接。随着转固定的转轴连接。随着转动轴的转动，不断地改变动轴的转动，不断地改变磁钢在圆形磁阻元件上面磁钢在圆形磁阻元件上面的位置。的位置。这种无触点电位器实这种无触点电位器实际上是一种中间抽头的际上是一种中间抽头的两两臂磁阻元件臂磁阻元件的互补电路。的互补电路。旋转磁钢改变作用于两臂旋转磁钢改变作用于两臂磁阻元件的磁阻元件的磁钢面积比磁钢面积比，可产生磁阻比的变化。可产生磁阻比的变化。图图6-26 6-26 无触点电位器无触点电位器 电源电压电源电压 时，输时，输出电压与磁钢旋转角度的关系。出电压与磁钢旋转角度的关系。从图可见，旋转角输出特性是从图可见，旋转角输出特性是以以 360360为周期、以为周期、以 180180为为界对称出现的。若以输出电压界对称出现的。若以输出电压的一半处于中心点，在的一半处于中心点，在2525范围内，其线性度达范围内，其线性度达 0.5%0.5%；在；在4545范围内，线性度达范围内，线性度达1.51.5。图图6-276-27无触点电位器旋转的无触点电位器旋转的输出特性输出特性 这种无触点电位器是通过磁钢与磁阻器件的相对位置变化这种无触点电位器是通过磁钢与磁阻器件的相对位置变化来改变输出电压的，它的分辨率比触点式电位器高两个数量级，来改变输出电压的，它的分辨率比触点式电位器高两个数量级，而且不发生因触点移动而引起的摩擦噪声。但这种无触点电位而且不发生因触点移动而引起的摩擦噪声。但这种无触点电位器的成本比较高，不可能完全代替触点式电位器。器的成本比较高，不可能完全代替触点式电位器。6.3.2 6.3.2 磁敏二极管磁敏二极管 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。1.磁敏二极管的结构 磁敏二极管是磁敏二极管是PNPN 结型的磁电转换元件，有硅磁敏二极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。在高纯度锗半导体的两端用合金法管和锗磁敏二极管两种。在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区域，在型两个区域，在P P、N N 之间有一个较长之间有一个较长的的本征区本征区I I ，本征区，本征区I I 的一面磨成光滑的复合表面（为的一面磨成光滑的复合表面（为I I 区）区），另一面打毛，成为，另一面打毛，成为高复合区高复合区（r r 区），因为电子区），因为电子-空穴对空穴对易于在易于在粗糙表面复合而消失粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在。当通以正向电流后就会在P P、I I、N N 结之间形成电流。由此可知，结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是磁敏二极管是PIN PIN 型型的。的。图图 6-11 6-11 磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图 与普通二极管区别：普通二极管与普通二极管区别：普通二极管PNPN结的基区结的基区很很短短，以避免载流子在基区复合，磁敏二极管的，以避免载流子在基区复合，磁敏二极管的PNPN结结却有却有很长的基区很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区，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。是由接近本征半导体的高阻材料构成。2.工作原理 磁敏二极管在磁敏二极管在磁场强度磁场强度的变化下，其的变化下，其电流电流发生变化，发生变化，于是就实现于是就实现磁电转换磁电转换。且。且I I区和区和r r区的复合能力之差越大，区的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管的灵敏度就越高。图图6-12 6-12 磁敏二极管工作原理示意图磁敏二极管工作原理示意图3.磁敏二极管的主要特性（1 1）磁电特性磁电特性：在给定条件下，磁敏：在给定条件下，磁敏二极管的二极管的输出电压输出电压变化量与变化量与外加磁场外加磁场间的变化关系。间的变化关系。图图6-13 6-13 磁敏二极管磁电特性曲线磁敏二极管磁电特性曲线正向磁正向磁灵敏度灵敏度大于反大于反向向互补使用时，正、反互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好且在弱磁场下有较好的线性的线性（2）伏安特性 在给定磁场情况在给定磁场情况下，磁敏二极管两端下，磁敏二极管两端正向偏压正向偏压和和通过它的通过它的电流电流的关系曲线。如的关系曲线。如图图6-146-14所示。不同种所示。不同种类的磁敏二极管伏安类的磁敏二极管伏安特性也不同。特性也不同。图图6-14 6-14 磁敏二极管伏安特性曲线磁敏二极管伏安特性曲线（3）温度特性一般情况下，磁敏二极管受温度一般情况下，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来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下试条件下 的温度系数小于的温度系数小于20mV20mV，的温度系数小于的温度系数小于0.6%/0.6%/。而锗磁敏二极管。而锗磁敏二极管 的温度系数小于的温度系数小于-60mV-60mV，的温度系数小于的温度系数小于1.5%/1.5%/。所以，。所以，规定硅管的使用温度为规定硅管的使用温度为-40-408585，而锗管则现定为，而锗管则现定为-40-406565。指在标准测试条件下，指在标准测试条件下，输出电压变化量输出电压变化量（或无磁场作用（或无磁场作用时输出电压）随时输出电压）随温度变化温度变化的规律。的规律。图图6-15 6-15 磁敏二极管温度特性磁敏二极管温度特性（4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过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程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与。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载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于 ，即响应，即响应频率高达频率高达1MHz1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz10kHz。图图6-16 6-16 锗磁敏二极管频率特性锗磁敏二极管频率特性1.流量测量 磁敏二极管用环氧树脂封磁敏二极管用环氧树脂封装在导流头内，由导磁体同涡装在导流头内，由导磁体同涡轮上的轮上的针形磁铁针形磁铁构成磁回路。构成磁回路。磁敏二极管是不动的，当装在磁敏二极管是不动的，当装在涡轮上的磁铁随涡轮旋转到一涡轮上的磁铁随涡轮旋转到一定位置时，磁敏二极管输出一定位置时，磁敏二极管输出一个脉冲信号。经运算放大器放个脉冲信号。经运算放大器放大后送到频率计，指示出流量大后送到频率计，指示出流量值。值。这种流量计所测最小流量为这种流量计所测最小流量为0.5m0.5m3 3/日日，涡流转速，涡流转速 60r/min 60r/min 2700r/min2700r/min范围内都可以使用。范围内都可以使用。图图6-28 6-28 磁敏二极管涡流流量计磁敏二极管涡流流量计2.磁敏二极管漏磁探伤 利用磁敏二极管可以检测利用磁敏二极管可以检测弱磁场的变化这一特性，可以弱磁场的变化这一特性，可以制成漏磁探伤仪。制成漏磁探伤仪。钢棒被磁化部分与铁心构钢棒被磁化部分与铁心构成闭合磁路。由激磁线圈感应成闭合磁路。由激磁线圈感应的磁通的磁通通过棒材局部表面通过棒材局部表面，若若没有缺陷存在没有缺陷存在，探头附近则没探头附近则没有泄漏磁通有泄漏磁通，因而探头没有信，因而探头没有信号输出。如果棒材有局部缺陷，号输出。如果棒材有局部缺陷，那么，缺陷处的泄漏磁通将作那么，缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生信号输用于探头上，使其产生信号输出。出。图图6-29 6-29 漏磁探伤原理图漏磁探伤原理图6.3.3 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工作原理 NPNNPN型磁敏晶体管是在弱型磁敏晶体管是在弱P P型近本征半导体上，用合金法型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结或扩散法形成三个结即即发射结、基极结、集电结发射结、基极结、集电结所形成所形成的半导体元件。其最大特点是的半导体元件。其最大特点是基区较长基区较长，在长基区的侧面制，在长基区的侧面制成一个复合率很高的成一个复合率很高的高复合区高复合区 。在。在 区的对面保持光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。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。图图6-17 6-17 磁敏晶体管结构与符号磁敏晶体管结构与符号 2.工作原理磁敏晶体管的基区宽度磁敏晶体管的基区宽度大于载流子有效扩散长大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极除少部分输入到集电极外，大部分通过外，大部分通过e-I-b 而而形成基极电流形成基极电流当受到正向磁场作用当受到正向磁场作用时，由于洛仑兹力作时，由于洛仑兹力作用，载流子向用，载流子向发射结发射结一侧偏转一侧偏转，从而使，从而使集集电极电流明显下降电极电流明显下降当受反向磁场作用时当受反向磁场作用时，载流子在洛仑兹力，载流子在洛仑兹力作用下，向作用下，向集电结一集电结一侧偏转侧偏转，使，使集电极电集电极电流增大流增大 磁敏晶体管工作原理与磁敏二极管完全相同。在正向或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，会引起反向磁场作用下，会引起集电极电流的减少或增加集电极电流的减少或增加。因此，。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。弱控制集电极电流的增加或减少的变化量。3.磁敏晶体管的主要特性（1 1）磁电特性磁电特性:磁电特性是磁磁电特性是磁敏晶体管最重要的工作特性敏晶体管最重要的工作特性之一。例如，国产之一。例如，国产NPNNPN型型3BCM3BCM锗磁敏晶体管的磁电特性曲锗磁敏晶体管的磁电特性曲线如图线如图6-196-19所示。在弱磁场所示。在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。作用下，曲线接近一条直线。图图6-19 3BCM6-19 3BCM的磁电特性的磁电特性（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。磁敏晶体管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。图图6-20a6-20a为不受磁场作用时磁敏晶体管的伏安特性曲线为不受磁场作用时磁敏晶体管的伏安特性曲线图图6-20b6-20b给出了磁敏晶体管在基极恒流条件下（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。集电极电流的变化的特性曲线。图图6-20 6-20 磁敏晶体管伏安特性曲线磁敏晶体管伏安特性曲线（3）温度特性 磁敏晶体管对温度也是敏感的。磁敏晶体管对温度也是敏感的。3ACM 3ACM、3BCM3BCM磁敏晶体管的温度系数为磁敏晶体管的温度系数为0.80.8/；3CCM3CCM磁敏晶体管的温度系数为磁敏晶体管的温度系数为-0.6-0.6/。图图6-21 3BCM6-21 3BCM磁敏晶体管的温度特性磁敏晶体管的温度特性返回本章目录返回本章目录6.4 磁电式传感器的应用6.4.1 6.4.1 霍尔传感器的应用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、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。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；气隙中的磁场；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机；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。用于制作微波电路中的环行器、隔离器等等。用于非磁量的检测和控制，如测量微位移、转速、加速用于非磁量的检测和控制，如测量微位移、转速、加速度、振动、压力、流量、液位等等。度、振动、压力、流量、液位等等。6.4.2 磁敏电阻的应用 利用磁敏电阻的电气特性可以在外磁场的作用利用磁敏电阻的电气特性可以在外磁场的作用下改变的特点，可以用来作为下改变的特点，可以用来作为电流传感器、磁敏接电流传感器、磁敏接近开关、角速度近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器角位移传感器、磁场传感器等。等。磁阻元件阻值与通过电流量的大小组合起来，磁阻元件阻值与通过电流量的大小组合起来，能够实现乘法运算的功能，可以制作出电流计、磁能够实现乘法运算的功能，可以制作出电流计、磁通计、功率计、模拟运算器、可变电阻等。通计、功率计、模拟运算器、可变电阻等。此外磁敏电阻可用于开关电源、此外磁敏电阻可用于开关电源、UPSUPS、变频器、变频器、伺服马达驱动器、电度表、电子仪器仪表、家用电伺服马达驱动器、电度表、电子仪器仪表、家用电器等，应用非常广泛。器等，应用非常广泛。6.4.3 磁敏二极管和磁敏晶体管的应用 磁敏二极管比较适合于应用在绝对精度要求不高、磁敏二极管比较适合于应用在绝对精度要求不高、希望尽可能简单地检测希望尽可能简单地检测磁场的有无、磁场方向及强弱磁场的有无、磁场方向及强弱等，而又能获得较大电压输出的场合。等，而又能获得较大电压输出的场合。磁敏晶体管的应用技术领域与磁敏二极管相似。磁敏晶体管的应用技术领域与磁敏二极管相似。主要在磁场测量、大电流测量、磁力探伤、接近开关、主要在磁场测量、大电流测量、磁力探伤、接近开关、程序控制、位置控制、转速测量、直流无刷马达和各程序控制、位置控制、转速测量、直流无刷马达和各种工业过程自动控制等技术领域中应用。种工业过程自动控制等技术领域中应用。6.4.4.半导体磁传感器的特点及应用表表6-2 6-2 半导体磁传感器特点及应用半导体磁传感器特点及应用序号序号名称名称特点特点用途用途1 1砷化钾霍尔元件砷化钾霍尔元件SHUHSHUH高稳定性、低温漂、小尺寸高稳定性、低温漂、小尺寸用于磁场及电流精密检测用于磁场及电流精密检测2 2锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件TYHTYH灵敏度高、价格低灵敏度高、价格低在无刷电机、录像机磁鼓电机、主导轴电机、计在无刷电机、录像机磁鼓电机、主导轴电机、计算机软盘驱动电机、电流传感器等方面广泛应用算机软盘驱动电机、电流传感器等方面广泛应用3 3各种精密磁探头各种精密磁探头CTCT灵敏度高、稳定性好、结构简单灵敏度高、稳定性好、结构简单 用于各种场合的精密磁场检测用于各种场合的精密磁场检测4 4霍尔电流（电压、功霍尔电流（电压、功率）传感器率）传感器结构简单、性能稳定、价格低。与被测电结构简单、性能稳定、价格低。与被测电流、电压系统有良好的电气隔离流、电压系统有良好的电气隔离广泛用于直流、交流、脉动电流检测广泛用于直流、交流、脉动电流检测5 5锑化铟磁敏电阻锑化铟磁敏电阻 TYCZTYCZ为薄膜型为薄膜型 InSbInSb 磁敏元件，灵敏度高、价磁敏元件，灵敏度高、价格低、结构简单，可测量直线位移、角位格低、结构简单，可测量直线位移、角位移、转数、转速等参数移、转数、转速等参数广泛用于无触点开关、无触点电位器、各种编码广泛用于无触点开关、无触点电位器、各种编码器产品中器产品中6 6强磁体磁阻元件强磁体磁阻元件 QCCZQCCZ温度系数小、稳定性好、价格低温度系数小、稳定性好、价格低在转速、角位移、直线位移、位置传感器及各种在转速、角位移、直线位移、位置传感器及各种编码器中广为应用编码器中广为应用7 7集成霍尔器件（开关集成霍尔器件（开关型）型）无触点、长寿命、开关速度快、集电极开无触点、长寿命、开关速度快、集电极开路输出路输出能直接驱动晶体管和能直接驱动晶体管和 TTLTTL、MOS MOS 等集成电路，安等集成电路，安装使用方便装使用方便8 8数字特斯拉计系列数字特斯拉计系列采用霍尔效应原理制成。具有体积小、重采用霍尔效应原理制成。具有体积小、重量轻、稳定性好、使用方便的特点量轻、稳定性好、使用方便的特点用于各种场合的磁场强度检测用于各种场合的磁场强度检测返回本章目录返回本章目录本章小结霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理 霍尔效应霍尔效应霍尔电势与材料的关系霍尔电势与材料的关系磁敏电阻的工作原理磁敏电阻的工作原理 磁阻效应磁阻效应霍尔元件的符号霍尔元件的符号 磁敏二极管磁敏二极管利用磁敏二极管在磁场强度利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。换。磁敏晶体管磁敏晶体管在正向或反向磁场作用下，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。的强弱控制集电极电流的增加或减少的变化量。返回本章目录返回本章目录