1、第四章 半导体磁敏传感器 4.1 4.1 霍耳磁敏传感器霍耳磁敏传感器 4.2 4.2 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 4.3 4.3 磁敏电阻磁敏电阻 磁敏传感器是把磁敏传感器是把磁学物理量磁学物理量转换成电信号的传感器。它广转换成电信号的传感器。它广泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等待个泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等待个领域。领域。磁敏传感器的工作原理大多磁敏传感器的工作原理大多是是基于带电载流子在磁场中运基于带电载流子在磁场中运动时因受洛仑兹力的作用而发生偏转的机理动时因受洛仑兹力的作用而发生偏转的机理：FqVB q为电子电荷，为电子电荷
2、，V为载流子运动速度，为载流子运动速度，B为磁感应强度。为磁感应强度。根据根据B0H(0为材料的导磁率为材料的导磁率)，磁敏传感器可以分，磁敏传感器可以分为两类：高导磁率材料为两类：高导磁率材料(1)制成的磁敏传感器。如利用铁制成的磁敏传感器。如利用铁镍薄膜磁阻效应制成的磁敏传感器；低导磁率材料镍薄膜磁阻效应制成的磁敏传感器；低导磁率材料(1)制成制成的磁敏传感器，如利用半导体材料的磁敏传感器，如利用半导体材料(如如Si、GaA s、InSb等等)的的电磁效应制成的磁敏传感器例如霍尔器件、磁敏晶体管、磁敏电磁效应制成的磁敏传感器例如霍尔器件、磁敏晶体管、磁敏电阻器等。除上述两类外，还有核磁共振
3、、超导量子干涉器件电阻器等。除上述两类外，还有核磁共振、超导量子干涉器件等磁敏传感器。等磁敏传感器。包括B、H、等4.1 4.1 霍耳磁敏传感器霍耳磁敏传感器（一）工作原理（一）工作原理霍耳效应霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象称为霍耳效应。产生电动势的现象称为霍耳效应。-I-+lwd霍耳效应原理图VHzxyn 设设n型半导体的长度为型半导体的长度为l，宽度为，宽度为w，厚度为，厚度为d。又设电子以。又设电子以均匀的速度均匀的速度v运动，则在垂直方向运动，则在垂直方向z施加的磁感应强度施加的磁感应强度B的作
4、用的作用下，它受到下，它受到洛仑兹力沿洛仑兹力沿y轴负方向，轴负方向，大小为大小为q电子电量电子电量(1.6210-19C)；v电子运动平均速度。电子运动平均速度。由于载流子的偏转，使由于载流子的偏转，使y方向上两极板分别积累不同的电方向上两极板分别积累不同的电荷，产生新的电势差荷，产生新的电势差VH（霍耳电势），形成由（霍耳电势），形成由+y指向指向-y的电场的电场EH，电子受该电场的，电子受该电场的电场力方向沿电场力方向沿y轴正方向，轴正方向，大小为大小为 qvBfLwqVqEfHHE/wqVqvBH/当当 fL L 和和 E EH H 达到动态平衡时，达到动态平衡时，VH不再增加达到一个
5、稳定值：不再增加达到一个稳定值：dnqvwdjwIdnqwIv/霍耳电势霍耳电势VH与与 I、B的乘积成正比，而与的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成反比。于是可改写成：成：dIBRVHHHR电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体 霍耳系数，由载流材料物理性质决定；霍耳系数，由载流材料物理性质决定；载流子迁移率载流子迁移率根据霍耳电势的表达式，根据霍耳电势的表达式，V VH H正比于正比于I I和和B B，并随，并随B B的方向改变而改的方向改变而改变符号，因此可由变符号，因此可由V VH H检测检测B B的大小和方向。的大小和方向。注意影响霍耳灵敏度的因素注意影响霍耳灵敏度
6、的因素材料类型、导电类型和厚度材料类型、导电类型和厚度或者或者代入代入wqVqvBH/设设 KH=RH /d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。电势的大小。若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时（即时（即B与与I不完全垂直时），霍耳电不完全垂直时），霍耳电势势应为：应为：VH KH I B VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出
7、注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电霍耳电势的势的方向也改变；但当磁场与电流同时改变方向时，方向也改变；但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电霍耳电势并不势并不改变方向。改变方向。霍耳器件片(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（二）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）的结构（二）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）的结构dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w控制电流端控制电流端霍耳端霍耳端R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳电势输出端的端子霍耳电势输出端的端子C、D相应相应地称为地称为霍耳端霍耳端或
8、输出端。或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载,称为霍耳称为霍耳负载电阻负载电阻或霍耳负载。或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电输入电阻阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为霍耳端子间的电阻，称为输出电输出电阻阻或霍耳侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流):流入到器件内的电流。流入到器件内的电流。电流端子电流端子A、B相应地称为器件相应地称为器件电流端电流端、控制电流端或输入电、控制电流端或输入电流端。流端。H霍耳器件符号霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称关于霍耳器件
9、符号，名称及型号，国内外尚无统一及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。暂规定下列名称的符号。控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势VH；控制电压控制电压V；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻R3；霍耳电流霍耳电流IH。图中控制电流图中控制电流I由电源由电源E供给供给,R为调节电阻为调节电阻,保证器件内所需控保证器件内所需控制电流制电流I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3,R3可以是一般电阻或放大器的可以是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件垂直通过霍耳
10、器件,在磁场与在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本应用电路霍耳器件的基本应用电路R实际使用时实际使用时,器件输入信号可以是器件输入信号可以是I I或或B B，或者，或者IBIB,而输出可以正而输出可以正比于比于I I或或B B,或者正比于其乘积或者正比于其乘积IBIB。元件尺寸的一些特点：元件尺寸的一些特点：n几何尺寸几何尺寸l/w：由于存在：由于存在局部短路局部短路作用，在霍耳电极上输作用，在霍耳电极上输出的霍耳电势，将要比理论值小，只有当出的霍耳电势，将要比理论值小，只有当l/w时，才时，才符合符合VH的定义式。一般
11、在的定义式。一般在l/w为有限值时，认为为有限值时，认为l/w2基基本上就可以有效减小短路现象，若本上就可以有效减小短路现象，若l/w过大，控制电极间过大，控制电极间距增大，使输入功耗增加，会降低元件的输出。距增大，使输入功耗增加，会降低元件的输出。n霍耳电极的位置和大小：一般取元件霍耳电极的位置和大小：一般取元件长边的中心点长边的中心点作为作为霍耳电极的位置，它的宽度尺寸霍耳电极的位置，它的宽度尺寸s是小于元件长度尺寸的是小于元件长度尺寸的1/10。由于金属电极的存在，会使因洛仑兹力积累的由于金属电极的存在，会使因洛仑兹力积累的部分电荷与对面感应的相反电荷中和，导致部分电荷与对面感应的相反电
12、荷中和，导致VH下降，所以离控制电极越近的位置处下降，所以离控制电极越近的位置处VH也越小。也越小。IKBIdRVIHHVKVRKBVdRRVVHH1111上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压同样，若给出控制电压V V，由于，由于V=RV=R1 1I I，可得控制电压和霍耳，可得控制电压和霍耳电势的关
13、系式电势的关系式设霍耳片厚度设霍耳片厚度d d均匀，电流均匀，电流I I和霍耳电场的方向分别平行于长、和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流短边界，则控制电流I I和霍耳电势和霍耳电势V VH H的关系式的关系式（三）霍耳器件的基本特性（三）霍耳器件的基本特性 1、直线性、直线性：指霍耳器件的输出电势：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。之间呈线性关系。V VH H=K KH HBIBI 2 2、灵敏度、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度等多种方式来表示：电势灵敏度等多
14、种方式来表示：K KH H乘积灵敏度，表示霍耳电势乘积灵敏度，表示霍耳电势V VH H与磁感应强度与磁感应强度B B和控制电和控制电流流I I乘积之间的比值，通常以乘积之间的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。因为霍耳元件的。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。势值。常用于磁场测量等情况。
15、常用于磁场测量等情况。KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。强度下电流对应的霍耳电势值。若若控制电流值固定控制电流值固定，则：，则：VHKBB若若磁场值固定磁场值固定，则：，则：VHKI I3、额定电流、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电等于霍耳负载电阻
16、阻R3时，霍耳输出功率为最大。时，霍耳输出功率为最大。22max4/RVPHO5 5、最大效率、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：最大输出对应的效率，称为最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6、负载特性、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度于霍耳电极间内阻和磁阻效
17、应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如之间便失去了线性关系。如图图所所示。示。8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值VHR3I霍耳电势的负载特性=R3/R2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况7、温度特性、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。（或电导率）与温度的关系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系
18、；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0 霍耳元件的输出电压常常霍耳元件的输出电压常常具有负的温度系数具有负的温度系数，因此在实，因此在实际应用中，需考虑温度补偿的问题。际应用中，需考虑温度补偿的问题。8、频率特性、频率特性u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的：磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的：器件的频率特器件的频率特性很好性很好，到，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳
19、霍耳器件可用于微波范围器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。其输出不受频率影响。u磁场交变：磁场交变：霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度特别是气隙宽度)等有等有关。关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。部产生涡流的缘故。总之，在交变磁场下，当频率为数十总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果
20、能仔细设计时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。有良好的频率特性的。9、不等位电势、不等位电势VM和寄生直流电势和寄生直流电势VoDn霍耳元件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时霍耳电极霍耳元件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时霍耳电极间的开路电势差，称为间的开路电势差，称为不等位电势不等位电势VM。它是由于两个输出电。它是由于两个输出电极不在同一个等位面上而造成的，产生的原因主要有材料电极不在同一个等位面上而造成的，产生的原因主要有材料电阻率的不均匀，基片宽度和厚度不一致及电极与基片之间
21、的阻率的不均匀，基片宽度和厚度不一致及电极与基片之间的接触位置不对称或电接触不良等。接触位置不对称或电接触不良等。n在不加外磁场情况下，霍耳元件通过交流控制电流，在霍耳在不加外磁场情况下，霍耳元件通过交流控制电流，在霍耳电极上也会有直流电势，称为电极上也会有直流电势，称为寄生直流电势寄生直流电势VoD。它是元件的。它是元件的霍耳电极或输入电极在与半导体片相接触时，没形成良好的霍耳电极或输入电极在与半导体片相接触时，没形成良好的欧姆接触，产生了整流效应，导致了霍耳电极产生寄生直流欧姆接触，产生了整流效应，导致了霍耳电极产生寄生直流电势电势VoD。n比较二者的差别：比较二者的差别：不等位电势是由于
22、元件的几何形状或电极位置不对称以及材不等位电势是由于元件的几何形状或电极位置不对称以及材料的不均匀而造成的，寄生直流电势则是由于电极的整流接料的不均匀而造成的，寄生直流电势则是由于电极的整流接触而造成的，因此前者电势的方向随控制电流方向改变而改触而造成的，因此前者电势的方向随控制电流方向改变而改变，但数值不变，它能增强或削弱霍耳电压，而寄生直流电变，但数值不变，它能增强或削弱霍耳电压，而寄生直流电势与电流的流向无关，它也不影响霍耳电势的测量。势与电流的流向无关，它也不影响霍耳电势的测量。霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一
23、种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以物理量，并以开关信号形式输出开关信号形式输出。它把霍耳器件的电压经过。它把霍耳器件的电压经过一定的阈值甄别处理和放大，而输出一个高电平或低电平的一定的阈值甄别处理和放大，而输出一个高电平或低电平的数字信号。数字信号。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。它也能与数字电路直接配合使用，因此可恶劣环境等优点。它也能与数字
24、电路直接配合使用，因此可直接满足控制系统的需要。直接满足控制系统的需要。霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器（四）集成霍耳传感器（四）集成霍耳传感器霍耳开关集成传感器通常由霍耳开关集成传感器通常由稳压电路稳压电路、霍耳元件霍耳元件、放大器放大器、整形电路整形电路和和开路开路输出输出五部分组成。五部分组成。稳压电路可使传感器在稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。各种逻辑电路接口。霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压V
25、CC1霍耳元件放大BT整形地H开关型集成霍耳传感器基本电路开关型集成霍耳传感器基本电路补偿元件补偿元件差分放大差分放大施密特触发器（整形电路）施密特触发器（整形电路）3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路123霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的图中的BOP为工作点为工作点“开开”
26、的磁感应强度，的磁感应强度，BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳开关集成传感器的技术参数：霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。作温度、工作点。0 该曲线反映了外加磁场与该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于加磁感强度高于BOP时，输出时，输出电平由高变低，传感器处于开电平由高变低，传感器处于开状态。当
27、外加磁感强度低于状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。传感器处于关状态。霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用(阅读阅读)a.霍耳开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.5
28、20距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。b b给传感器施加磁场的方式给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式在传感器前方通过。的方式在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系
29、曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。SN磁力集中器传感器磁铁磁力集中器安装示意图磁力
30、集中器安装示意图SN磁力集中器传感器磁铁铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图SN磁铁磁力集中器传感器带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁感应强度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图 (a)(a)加磁力集中器的移动激励方式加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例激励磁场应用实例(b)推拉式推拉式 两个磁铁的两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如图极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。所示的较为线性的特性。N SS N传感器图2.6-
31、20 推拉式激励磁场示意图图图2.6-21 推拉式推拉式L1-B关系曲线关系曲线距离距离L1/mmB/T0.05-0.050-10-5051015-15注意：磁铁注意：磁铁S S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S S极极的激励作用。的激励作用。(c)双磁铁滑近式双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的S极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的它的N极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。传感
32、器滑近S N N S 图2.6-22 双磁铁滑近式结构示意图(d)翼片遮挡式翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。图2.6-23 翼片遮挡器的形状片状筒状 霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统
33、、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等测定与控制、位置及角度的检测等等(e)偏磁式偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的N极粘附在极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。霍耳开关集成传感器的应用领域霍耳开关
34、集成传感器的应用领域 霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传感器利用了霍耳元件的输出电压与外加利用了霍耳元件的输出电压与外加磁场成线性比例的关系。磁场成线性比例的关系。这类传感器一般由这类传感器一般由霍耳元件霍耳元件和和放大放大器器组成，当外加磁场时组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大
35、输出级、失调调整和线性度调整等电路。输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有单端输出单端输出和和双端输出双端输出两种，其电路结构如下图。两种，其电路结构如下图。霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传
36、感器单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感器单端输出的传感器是一个三端器件，它的是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感双端输出的传感器是一个器是一个8脚双列直插脚双列直插封装的器
37、件，它可提供封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。可提供输出失调调零。其典型产品是其典型产品是SL3501M。霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性 传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图：磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线对正负磁场，对正负磁场，传感器表现出传感器表现出对称的输出特对称的输出特性；当磁感应性；当磁感应强度太大时，强度太大时，输出有饱和的输出有饱和的趋势。趋势。2.52.01.51
38、.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100 负载电阻对霍耳线性集成传感器的输出有一定的影响，其输负载电阻对霍耳线性集成传感器的输出有一定的影响，其输出特性如下图：出特性如下图：（五）霍耳磁敏传感器的应用（五）霍耳磁敏传感器的应用 利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。
39、域中均得到了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。罗盘、转速计、无触点开关等。利用霍耳传感器制作的仪器利用霍耳传感器制作的仪器优点：优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。体积小，结构简单
40、、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。服。测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mA
41、ESNR 霍耳磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图磁方向图磁方向图西90o东0o北南180o270o磁通集束器图中磁通集束器图中Li为集束器的为集束器的总长度，总长度，La为集束器中部的空为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁通密度隙距离，霍耳器件磁通密度Ba比外部磁通密度比外部磁通密度B0约增强约增强Li/La倍。倍。图为均匀磁场中使用集束器图为均匀磁场中使用集束器(实线实线)和不使用磁集束器和不使用磁集束器(用用虚线表示虚线表示)时的磁方向图时的磁方向图 ERVHB0LaBaLi磁通集束器原理图磁通集束器原理图21材料温度(K)RHInSb78460.0527110InAs78
42、7.50.0096506.8Si78150.05070410410410310310310310310几种导体材料在低温下的性能几种导体材料在低温下的性能 4.24.2 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件，它们都属之后迅速发展起来的新型磁电转换元件，它们都属于结型半导体磁敏器件的范畴，其电特性随外部磁于结型半导体磁敏器件的范畴，其电特性随外部磁场的改变有显著的变化。场的改变有显著的变化。这两种磁敏器件具有磁灵敏度高（磁灵敏度比这两种磁敏器件具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳
43、元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视，并在检测、控制等方面得到普遍应用。并在检测、控制等方面得到普遍应用。4.2.1 磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性 1 1磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构 磁敏二极管是利用磁敏二极管是利用“磁阻效应磁阻效应”进行磁电转换的，常用进行磁电转换的，常用本征半导体材料，一般有有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两本征半导体材料，一般有有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。普通二极管种。普通二极管PN结的基区很短，
44、以避免载流子在基区里结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，而磁敏二级管则属复合，而磁敏二级管则属长基区二极管，是长基区二极管，是p-i-n型结构型结构，其，其中中i为本征或接近本征的半导体高阻材料，它的长度大于载流为本征或接近本征的半导体高阻材料，它的长度大于载流子的扩散长度（如一般锗磁敏二级管用子的扩散长度（如一般锗磁敏二级管用=40cmcm左右的左右的P P型型或或N N型单晶做型单晶做基区，锗本征半导体的基区，锗本征半导体的=50cmcm)；两端分别是；两端分别是高掺杂的高掺杂的P P型型和和N N型型区域，如果近本征区是弱区域，如果近本征区是弱n型的，称型的，称p-n，如果是弱，如果
45、是弱p型的称型的称p-n。+（b）磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号H+H-N+区p+区i区r区电流（a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两型两个区域，并在本征区（个区域，并在本征区（i i）区的一个侧面上，设置）区的一个侧面上，设置高复合区高复合区(r(r区区)，而与，而与r r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）磁敏二极管
46、的工作原理示意图也在变化，也就是说二极管也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而等效电阻随着磁场的不同而不同。为什么磁敏二极管会不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢有这种特性呢?下面作一下下面作一下分析。分析。磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P区接电源正极，区接电源正极，N区接电源负极即外加正区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，流过二极管的电流磁场的变化，流过二极管的电流iii电子空穴复合区 在普通二极管中加上正向偏压在普通二极管中加上正向偏压V+后，后，V+=Vi+Vp+Vn，其，其中中Vi为为i区
47、压降，区压降，Vp、Vn分别为分别为p-i、i-n结的压降。在无外磁场结的压降。在无外磁场时，在外电场的作用下，大部分空穴由时，在外电场的作用下，大部分空穴由p区向区向i区注入，而电子区注入，而电子则由则由n区向区向i区注入，即双注入长基区二极管，注入区注入，即双注入长基区二极管，注入i区的电子和区的电子和空穴数基本是相等的，除少数载流子在体内复合掉之外，大多空穴数基本是相等的，除少数载流子在体内复合掉之外，大多数分别到达对面的数分别到达对面的n和和p区，形成流过器件的总电流区，形成流过器件的总电流I=Ip+In。当受到正向磁场作用时，电子和空穴由于受到洛仑兹力的当受到正向磁场作用时，电子和空
48、穴由于受到洛仑兹力的作用均向作用均向r区偏转，区偏转，r区是高复合区，进入该区的电子和空穴迅区是高复合区，进入该区的电子和空穴迅速被复合掉，因而速被复合掉，因而i区的载流子密度减少，等效于区的载流子密度减少，等效于i区的电阻增区的电阻增加，则加，则Vi增加而增加而Vp、Vn相应减少，使流入相应减少，使流入i区的载流子密度进一区的载流子密度进一步减少，步减少，i区电阻进一步增加直到某一稳定值为止，如图区电阻进一步增加直到某一稳定值为止，如图b。相反，磁场改变方向，电子和空穴将向相反，磁场改变方向，电子和空穴将向r区的对面区的对面-无复合无复合区流动，使载流子复合减少，相当于区流动，使载流子复合减
49、少，相当于i区载流子密度增加，电阻区载流子密度增加，电阻减小，减小，Vi减少而减少而Vp、Vn相应增加，从而流入相应增加，从而流入i区的载流子数增加区的载流子数增加形成电流的正反馈作用，电流增大直到某一稳定值为止如图形成电流的正反馈作用，电流增大直到某一稳定值为止如图c。结论：结论：随着磁场大小和方向的变化，磁敏二极管可产生正随着磁场大小和方向的变化，磁敏二极管可产生正负输出电压的变化，特别是在较弱的磁场作用下，可获得负输出电压的变化，特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。并且，若较大输出电压。并且，若r区和区和r区之外的复合能力之差越区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就
50、越高。大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。综上，当存在磁场时，由于受洛仑兹力的影响，载流子综上，当存在磁场时，由于受洛仑兹力的影响，载流子的偏转使高复合区对电流产生影响。而载流子运动轨迹的改的偏转使高复合区对电流产生影响。而载流子运动轨迹的改变和行程的增加，取决于洛仑兹力的大小，而洛仑兹力的大变和行程的增加，取决于洛仑兹力的大小，而洛仑兹力的大小又与电场和磁场乘积成正比，由此可见，随着磁场方向和小又与电场和磁场乘积成正比，由此可见，随着磁场方向和大小的变化，可产生正、负输出电压的变化，这就是磁敏二大小的变化，可产生正、负输出电压的变化，这就是磁敏二极管的工作原理。极管的工作原理。磁敏二极管反向偏
