1、第六章第六章 磁敏传感器磁敏传感器 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。磁敏传感器主要有磁敏电阻磁敏电阻、磁敏二极管磁敏二极管、磁敏三极管磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器霍尔式磁敏传感器。6.1 磁敏电阻器磁敏电阻器 磁敏电阻器（磁敏电阻器（Magnetic Resistanc
2、e）是基于磁阻效应的磁敏元件是基于磁阻效应的磁敏元件,也称也称MR元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。磁阻效应。在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹
3、力比霍尔电场作在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。径长些，因此增加了电阻率。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为出来的磁阻效应方程为)273.01
4、(220BB式中式中 B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率；时的电阻率；0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率；电子迁移率；电子迁移率；B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻率变化为B 0时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为：/0=0.2732B2=K2B2由此可知，磁场一定时由此可知，磁场一定时电子迁移率越高电子迁移率越高的材料（如的材料（如InSb、InAs和和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。等半导体材料），其磁阻效应越明显。当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强
5、。磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与与磁敏电阻磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应阻效应。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为 bLfBK1)(20 长方形长方形磁阻器件只有在磁阻器件只有在L(长度长度)b（宽度）的条件下，才表现（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把出较高的灵敏度。把Ll的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方
6、向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。LbBB几何磁阻效应II（a）（b）图(b)是在Lb长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。磁敏电阻通常使用两种方法来制作：磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图(a)所示的许
7、多短路电所示的许多短路电极极(光栅状光栅状)的元件；的元件；另一种是另一种是由由InSb和和NiSb构成的共晶式半导体构成的共晶式半导体(在拉制在拉制 InSb单晶时，加入单晶时，加入1的的Ni，可得，可得InSb和和NiSb的共晶材料的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1 m左右，长约左右，长约100 m，许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于InSb的的温度特性不佳，往往在材
8、料中加人一些温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。度要损失一些。在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图上图(b)所示。所示。除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。电阻大多制成圆盘结构。二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构 各种形状的磁敏电阻，其磁阻与各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图磁感应强度的关系如右图所示。由
9、图可见，圆盘形样品的磁阻最大。可见，圆盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大的，且受温度影响较大；因此，使用；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。方案。磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。磁敏电阻器的应用：磁敏电阻器的应用：1 作控制元件作控制元件 可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压
10、变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。2作计量元件作计量元件 可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。数测量等诸多方面。3作开关电路作开关电路 在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。在接近开关、磁卡文字识别和磁电编码器等方面。4作运算器作运算器 可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。开立方器等方面使用。5作模拟元件作模拟元件 可在
11、非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。抗模拟等方面使用。磁敏电阻的应用磁敏电阻的应用 根据铁磁根据铁磁物体对地磁的物体对地磁的扰动，可检测扰动，可检测车辆的存在，车辆的存在，可用于包括自可用于包括自动开门，路况动开门，路况监测，停车场监测，停车场检测，车辆位检测，车辆位置监测，红绿置监测，红绿灯控制等。灯控制等。锑化铟锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测
12、机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。图所示，电路原理图如下图所示。电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨当纸币上的磁性油墨没有进入位置没有进入位置1时，设输出时，设输出变化为零，如果进入位置变化为零，如果进入位置1，由于由于R2电阻增大，则输出电阻增大，则输出变化为变化为0.3mV左右；如果进左右；如果进入位置入位置3时，则仍为时，则仍为0；如；如果进入位置果进入位置4，则为，则为-0.3mV，如果进入位置如果进入位置5，则仍为，则仍为0，就这样产生输出特性，经就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测
13、伪币，达显示，就能检测伪币，达到理想效果。到理想效果。半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器 半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器是半导体磁敏无接触电位器是半导体InSbInSb磁阻效应的典型应用之一。磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点它具有无可比拟的优点:无接触电刷、无电接触噪音、无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSbInSb磁磁敏无接触电位器是基于半导体敏无接触电位器是基于半导体InSbInSb磁阻效应原理
14、，由半导体磁阻效应原理，由半导体InSbInSb磁敏电阻磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90 该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电随着旋转轴的转动，
15、磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。旋转角度变化的关系曲线如图所示。6.3 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。之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。霍尔元件和磁敏电阻均是用霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型
16、的结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）、工作、工作电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。测和控制。一、磁敏二极管的结构和工作原理一、磁敏二极管的结构和工作原理 1结构结构 磁敏二极管的磁敏二极管的P型和型和N型电极由高阻材料制成，型电极由高阻材料制成，在在P、N之间有一个较长的本征区之间有一个较长的本征区I，本征区，本征
17、区I的一的一面磨成光滑的低复合表面面磨成光滑的低复合表面(为为I区区)，另一面打毛，另一面打毛，设置成高复合区设置成高复合区(为为r区区)，其目的是因为电子，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是知，磁敏二极管是PIN型的。型的。当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正区为正)，则有大量的空，则有大量的空穴从穴从P区通过区通过i区进入区进入N区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量
18、电子注入 P区，这样形成电流，只有少区，这样形成电流，只有少量电子和空穴在量电子和空穴在i区复合掉。区复合掉。当磁敏二极管受到如下图当磁敏二极管受到如下图(b)所示的外界磁场所示的外界磁场H+(正向磁场正向磁场)作用时，则电子和空作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，区快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于
19、磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。就越多，载流子减少，外电路的电流越小。当磁敏二极管受到如右图当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片所示的外界磁场片H-(反向磁场反向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向兹力作用而向I区偏移，由于电区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，子、空穴复合率明显变小，i区区的等效电阻减小，的等效电阻减小，则外电路的电则外电路的电流变大。流变大。若在磁敏二极管上加反向偏压若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负区的负)
20、，则仅有很微小的电，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。流流过，并且几乎与磁场无关。因此，该器件仅能在正向偏压因此，该器件仅能在正向偏压下工作。下工作。利用磁敏二极管的正向利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。化的特性，即可实现磁电转换。结论：结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有
21、任何改变。3磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性磁电待性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管的磁电持性。磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。由图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，图所示。由图可知，单只使用时，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。正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。(2)伏安特性
22、伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其下的作用，其伏安特性将是不一样。图伏安特性将是不一样。图(a)为锗磁敏二极管的伏安特性；为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏为硅磁敏二极管的伏安特性。图二极管的伏安特性。图(b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、
23、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。快，表现出其动态电阻比较小。1 3 (3)温度特性温度特性 一般情况下，磁敏二极管受温度影响较一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量出电压变化量U，或者在无磁场作用时，或者在无磁场作用时，中点电压中点电压Um随温度变化较大。因此，在实随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。际使用时，必须对其进行温度补偿。互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背反
24、磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背2R22RR 1R11RR IUkGs1 kGs1 1U 2U向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。此，互补电路还能提高磁灵敏度。差分式电路差分式电路 如下图如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，
25、可适当调节电阻还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和和R2。全桥电路全桥电路 全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。困难。热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 如下图如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使所示。该电路是利用热敏电阻
26、随温度的变化，而使Rt和和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。二、磁敏三极管的结构和工作原理二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半导体上用合金型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的磁敏二
27、极管，也有高复合速率的r区和本区和本征征I区。长基区分为输运基区和复合基区。区。长基区分为输运基区和复合基区。2磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管当磁敏三极管未受到磁场未受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因极，因而基极电流大于集电极电流。而基极电流大于集电极电流。当当受到正向磁场受到正向磁场(H+)作用时，由作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向复合区偏转复合区偏转，
28、导致集电极电流显著，导致集电极电流显著下降；当反向磁场下降；当反向磁场(H-)作用时，载流作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，增大。由此可知，磁敏三极管在正、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。明显变化。N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）图2.6-34 磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-运输基区；2-复合基区12 3.磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 (1)磁电特性磁电特性 磁敏三极管
29、的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产产NPN型型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。近一条直线，如左下图所示。(2)伏安特性伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图(a)为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图(b)是磁场为是磁场为1kG s，基极为，基极为3mA时，集电极电流的变化。由
30、该图可知，磁敏三极管时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于的电流放大倍数小于1。(3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温，其磁灵敏度的温度系数为度系数为0.8/；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为磁灵敏度的温度系数为-0.6/。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管
31、来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图(a)所示。当温度升高时，所示。当温度升高时，BG1管集电极电流管集电极电流Ic增加，导致增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿了管的集电极电流也增加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。图图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此
32、之外，还可以采用两只特性一漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁致、磁极相反的磁敏三极管组成的差敏三极管组成的差分电路，如图分电路，如图(c)所所示，这种电路既可示，这种电路既可以提高磁灵敏度，以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，又能实现温度补偿，它是一种行之有救它是一种行之有救的温度补偿电路。的温度补偿电路。（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有能识别磁极性等优点，是一种新型半导
33、体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。着广泛的应用前景。利用磁敏管可以作成磁场探测仪器利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量量10-7T左右的弱磁场。左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值
34、大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。电流表。此外此外,利用磁敏管还可制成转速传感器利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数能测高达每分钟数万转的转速万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。无触点电位器和漏磁探伤仪等。磁敏二磁敏二极极管漏磁探伤管漏磁探伤仪仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯、铁芯3、放大器、放大器4、磁敏二极管探头磁敏二极管探头
35、5等部分构成。将待测物等部分构成。将待测物1(如钢棒如钢棒)置于铁芯之下，并使之置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转
36、换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。待测铁棒中的缺陷。（四）、常用磁敏管的型号和参数（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表型锗磁敏三极管参数表%10000ccBcIIIh参 数单位测试条件规范ABCDE磁灵敏度%Ec=6V,RL=100,Ib=2mA,B=0.1T5101015 1520 202525击穿电压BUccoVIc=1.5mA2020252525漏电流Icc0Vcs=6A200200200200200最大基极电流mAEc=6VRL=5k4功耗PcmmW 45使用
37、温度-4065最高温度 75mA3CCM型硅磁敏三极管参数表型硅磁敏三极管参数表 A%10000ccBcIIIh参数单 位测试条件规范磁灵敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T5%击穿电压BUccoVIc=1020V漏电流Icc0Ice=6A5功耗mW 20mW使用温度-4085最高温度 100温度系数%/-0.10-0.25%/A6.5 霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
38、霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。一、一、霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 1.霍尔效应霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。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。霍尔效应 如图所示,在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板,导电板通以电流I,方向如图所示。
39、导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力fl的作用，fl大小为 式中:e电子电荷;v电子运动平均速度;B磁场的磁感应强度。fl=eBv bBflfElIdEH bBflfElIdEH fl的方向在图 中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在fl的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场,该电场强度为 EH=式中UH为电位差。霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加
40、,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即bUH bBflfElIdEHeEH=evB eEH=evB则 EH=vB （6-17）此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=nevbd,则 v=（6-18）将式（6-18）代入式（6-17）得 EH=（6-19）bdne1bdneIB bBflfElIdEH UH=（6-20）式中令式中令RH=1/（ne）,称之为称之为霍尔常数霍尔常数,其大小取决于导其大小取决于导体载流子密度，则体载流子密度，则 （6-21）式中式中KH=RH/d称
41、为称为霍尔片的灵敏度霍尔片的灵敏度。由式（。由式（6-21）可见）可见,霍霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件霍尔元件常制成薄片形状。常制成薄片形状。nedIBIBKdIBRUHHH而 代入 得bUEHHbdneIBEH 对霍尔片材料的要求对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数希望有较大的霍尔常数RH,霍尔元件激励极间电阻霍尔元件激励极间电阻 R=L/（bd）,同时同时 R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）其中其中U
42、I为加在霍尔元件两端的激励电压，为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励为霍尔元件激励极间内电场，极间内电场，v为电子移动的平均速度。为电子移动的平均速度。则则 (7-17)解得解得 RH=（7-18）从式（从式（7-18）可知）可知,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率子迁移率的乘积。若要霍尔效应强的乘积。若要霍尔效应强,则霍尔常数则霍尔常数RH值大值大,因因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。nebdLbdL一般金属材料载流子迁移率很高一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小但电阻率很
43、小;而绝缘材料而绝缘材料电阻率极高电阻率极高,但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有目前常用的霍尔元件材料有:锗、锗、硅、砷化铟、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锑化铟等半导体材料。其中其中N型锗容易加工制造型锗容易加工制造,其霍尔系数、其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好型硅的线性度最好,其霍尔系数、其霍尔系数、温度性能同温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范尤其在低温范围内温度系数大围内温度系数大,但在室温时其霍尔系
44、数较大。砷化铟的霍尔系数较小但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小,温温度系数也较小度系数也较小,输出特性线性度好。输出特性线性度好。表表 7-1 为常用国产霍尔为常用国产霍尔元件的技术参数元件的技术参数。2.霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、它由霍尔片、引线和壳体组成引线和壳体组成,如图如图 7-9(a)所示。所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为两根引线加激励电压或电流，称为激激励电极励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为引线为霍尔输
45、出引线，称为霍尔电极霍尔电极。霍尔霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图路中霍尔元件可用两种符号表示，如图7-9(b)所示。所示。3.霍尔元件基本特性霍尔元件基本特性 1）额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为时所流过的激励电流称为额定额定激励电流激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大称为最大允许激励电流允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加
46、。因霍尔电势随激励电流增加而线性增加,所所以以,使用中希望选用尽可能大的激励电流使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元因而需要知道元件的最大允许激励电流件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件改善霍尔元件的散热条件,可以使可以使激励电流增加。激励电流增加。2）输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为激励电极间的电阻值称为输入电阻输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其其电源内阻即为输出电阻电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在且环境温度在205时
47、确定的。时确定的。3）不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I时时,若元件所处位置磁感应强若元件所处位置磁感应强度为零度为零,则它的霍尔电势应该为零则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。但实际不为零。这时测得这时测得的的空载霍尔电势称不等位电势空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有产生这一现象的原因有:霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀不均匀;激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。激
48、励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻表示不等位电势也可用不等位电阻表示 ACBID 式中:U0不等位电势;r0不等位电阻;IH激励电流。由上式可以看出,不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。4）寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零,霍尔元件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。其产生的原因有:HIUr00ACBID 激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容不同,散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般在 1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原
49、因之一。5）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1时,霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。4.霍尔元件不等位电势补偿霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。
50、用分析电桥平衡来补偿不等位电势。图6-12为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电势U0为0。实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图6-13所示。图（a）、（b）为常见的补偿电路，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用
