1、第四章第四章 磁敏传感器磁敏传感器2022-10-192022-10-19磁敏传感器磁敏传感器磁场磁场电能电能测量原理测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴：半导体材料中的自由电子及空穴 随磁场改变其运动方向随磁场改变其运动方向结构结构结型结型体型体型磁敏二极管磁敏二极管磁敏三极管磁敏三极管霍尔传感器霍尔传感器磁敏电阻磁敏电阻2022-10-192022-10-194.1 4.1 磁敏传感器的物理基础磁敏传感器的物理基础1 1、磁现象：磁荷不能单独存在，必须、磁现象：磁荷不能单独存在，必须N N、S S成对存成对存在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等
2、于零，即于零，即divB=0divB=02 2、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的关、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的关系：系：F=e(E+vB)=eE+evBF=e(E+vB)=eE+evB3 3、磁通变化与电动势的关系：、磁通变化与电动势的关系：ddBEdtdt 2022-10-192022-10-19 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在过时，在垂直垂直于电流和磁场的方向上将产生于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。德国物理学家霍尔德国物理学家霍尔18791879年发现。年发
3、现。一、霍尔效应一、霍尔效应4.2 4.2 霍尔元件霍尔元件2022-10-192022-10-19bIdUHfEvflB二、霍尔元件工作原理：二、霍尔元件工作原理：如图所示如图所示N N型半导体薄片，于垂直方向上施加磁型半导体薄片，于垂直方向上施加磁感应强度为感应强度为B B的磁场，在薄片左右两端通以控制电的磁场，在薄片左右两端通以控制电流流I I。2022-10-192022-10-19 半导体中的载流子半导体中的载流子(电子电子)将沿着与电流将沿着与电流I I相反的相反的方向运动。方向运动。由于外磁场由于外磁场B B的作用，使电子受到磁场力的作用，使电子受到磁场力f fL L(洛仑洛仑兹
4、力兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后断面间形成后断面间形成电场电场。该电场产生的电场力该电场产生的电场力f fE E 阻止电子继续偏转。阻止电子继续偏转。)(BvefleEfE平衡。时，电荷积累达到动态当lEff分析：分析：2022-10-192022-10-19()lEfe vBfeEEvB HHUEvBUbvBbIne bdHHHIBIBUBbRK IBnedd式中：式中：电阻率、电阻率、n n电子浓度电子浓度 电子迁移率电子迁移率=/E=/E 单位电场强度作用
5、下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。1HRne10/19/202210/19/2022 在半导体前后两端面之间在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁即垂直于电流和磁场方向场方向)建立电场，称为建立电场，称为霍尔电场霍尔电场E EH H，相应的，相应的电势称为电势称为霍尔电势霍尔电势U UH H。R RH H霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；k kH H灵敏度系数，与载流材料的灵敏度系数，与载流材料的物理性质和几何尺寸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有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时 的霍尔电势的大小；
6、的霍尔电势的大小；d d 薄片厚度。薄片厚度。UH KH I BdIBRUHH2022-10-192022-10-19讨论：讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件都可以制造霍尔元件;绝缘材料电阻率绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很大，电子迁移率很小，不适用；很小，不适用；金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RHH很小，很小，U UH H很小很小,不适用不适用;半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大R RH H大，非常适于做霍尔元件，半大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍
7、尔元导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用件多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）;由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度K KH H越大，所以越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米微米(d1m)(d1m)。2022-10-192022-10-19注：注：1 1、当电流、当电流I I的方向或磁场的方向改变时，输出电的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时输出电势不改变方向。输出电势不改变方向。2 2、如果磁场和薄片法线有如
8、果磁场和薄片法线有角，那么角，那么：VH KH I B cos2022-10-192022-10-19(a)a)实际结构实际结构(mm)(mm)；(b)(b)简化结构；简化结构；(c)(c)等效电路等效电路外形尺寸外形尺寸:6.4:6.43.13.10.2;0.2;有效尺寸：有效尺寸：5.45.42.72.70.20.2d ds sl l（b b）2.12.15.45.42.72.7A AB B0.20.20.50.50.30.3C CD D（a a）w w电流极电流极霍尔电极霍尔电极R R4 4ABCDR1R2R3R4（c c）三、霍尔元件的结构三、霍尔元件的结构2022-10-192022
9、-10-19材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度灵敏度低、温度特性及线性度好特性及线性度好灵敏度最高、灵敏度最高、受温度影响大受温度影响大2022-10-192022-10-19霍尔器件符号霍尔器件符号ACDBHABCDABCD霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。电流端子电流端子A A、B B称为器件称为器件电流端电流端、控制电流端。、控制电流端。端子端子C C、D D称为称为霍尔端霍尔端或输出端。或输出端。实测中可把实测中可把I I*B B作输入，也可把作输入，也可把I I或或B B单独做输入；单独做输入；
10、通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。2022-10-192022-10-19四、主要技术参数及特性四、主要技术参数及特性（1 1）额定激励电流额定激励电流 I IH H霍尔元件的允许温升规定着一个最霍尔元件的允许温升规定着一个最大控制电流。大控制电流。（2 2）不平衡电势不平衡电势U U0 0不等位电势、零位电势不等位电势、零位电势 I IH H、B=0B=0、空载霍尔电势、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在同一等位面上原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良材料不均匀、工艺不良 （3 3）输入电阻输入电阻R Ri i、输出电阻输出电阻R R0 0R Ri i
11、控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻R R0 0 输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻B=0B=0欧姆表欧姆表2022-10-192022-10-19（4 4）基本特性）基本特性 直线性直线性：指霍尔器件的输出电势：指霍尔器件的输出电势U UH H分别和基本参数分别和基本参数 I I、U U、B B之间呈线性关系。之间呈线性关系。灵敏度灵敏度K KH H：乘积灵敏度：乘积灵敏度：霍尔元件的输出电压要由磁感应强度霍尔元件的输出电压要由磁感应强度B B和控制和控制电流电流I I的的乘积乘积来确定来确定,表示霍尔电势表示霍尔电势U UH H与两者乘积之间与两者乘积之间的比值，通常以的
12、比值，通常以mV/(mA0.1T)mV/(mA0.1T)。UH KH I B2022-10-192022-10-19K KB B磁场灵敏度，通常以磁场灵敏度，通常以额定电流额定电流为标准。磁场灵为标准。磁场灵敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。K KI I电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。若若控制电流值固定控制电流值固定，则：，则：U UH HK
13、KB BB B若若磁场值固定磁场值固定，则：，则：U UH HK KI I I I2022-10-192022-10-19VHR3VBIEIH霍尔器件的基本电路霍尔器件的基本电路R控制电流控制电流I I；霍尔电势霍尔电势V VH H；控制电压控制电压V V；霍尔负载电阻霍尔负载电阻R R3 3；霍尔电流霍尔电流I IH H。图中控制电流图中控制电流I I由电源由电源E E供给供给,R R为调节电阻为调节电阻,保证保证器件内所需控制电流器件内所需控制电流I I。霍尔输出端接负载。霍尔输出端接负载R R3 3,R R3 3可是可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场一般电阻或放大器的输入
14、电阻、或表头内阻等。磁场B B垂直通过霍尔器件。垂直通过霍尔器件。五、基本电路五、基本电路2022-10-192022-10-19霍尔元件输入输出电路：霍尔元件输入输出电路：1 1、恒压工作恒压工作：特点：性能差，适用于对精度要求不高的地方特点：性能差，适用于对精度要求不高的地方 性能差的原因：霍尔元件输入电阻随温度变化和性能差的原因：霍尔元件输入电阻随温度变化和 磁阻效应的影响。磁阻效应的影响。2 2、恒流工作恒流工作:特点：充分发挥霍尔传感器的性能；没有霍尔特点：充分发挥霍尔传感器的性能；没有霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。3 3、差分放
15、大差分放大：特点：能去除霍尔输出的同相电压特点：能去除霍尔输出的同相电压2022-10-192022-10-19六、霍尔元件的误差及其补偿六、霍尔元件的误差及其补偿 产生误差的原因产生误差的原因：一是制作工艺、制作水平的限制。一是制作工艺、制作水平的限制。二是外界温度的影响。二是外界温度的影响。（一）零位误差（一）零位误差 1 1、不等位电势、不等位电势U U0 0及其补偿及其补偿 B=0B=0，I0I0，U UH H=U=U0 000。U U0 0为不等位电势。为不等位电势。2022-10-192022-10-19产生原因：产生原因：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位霍尔电极安装位置不对
16、称或不在同一等电位面上，或激励电极接触不良造成激励电流不均面上，或激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。匀分布等。2022-10-192022-10-19产生原因：产生原因：半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几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，何尺寸不均匀，等电位面歪斜。等电位面歪斜。2022-10-192022-10-19不等位电势的补偿：不等位电势的补偿：不等位电势可表示为不等位电势可表示为U U0 0=r=r0 0I IH H(r r0 0为不等位电阻为不等位电阻)分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电
17、压相当于桥路初始有不平衡输出不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U U0 000，可在电阻大的桥臂上并联电阻。可在电阻大的桥臂上并联电阻。10/19/202210/19/20222.2.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，在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极除输出交流不等位电势外，还有一直霍尔电极除输出交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。流电势，称为寄生直流电势。原因：原因：由于元件的由于元件的两对电极不是完全欧姆接触两对电极不是完全欧姆接触而而形成形成整流效应整流效应，两个霍尔电极的两个霍尔电极的焊点大小不等焊点大小不等、热容量不同、热容
18、量不同引起温差所产生的。引起温差所产生的。2022-10-192022-10-19（二）（二）霍尔元件温度误差及补偿霍尔元件温度误差及补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它因此它们的许多参数都具有较大的们的许多参数都具有较大的温度系数温度系数。当温度变。当温度变化时化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化及霍尔系数都将发生变化,致使霍尔电动势变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。产生温度误差。以下是几种补偿方法：以下是几种补偿方法：2022-10-192022-10-191 1、采用恒流源供电和输
19、入回路并联电阻、采用恒流源供电和输入回路并联电阻思路：思路：由由U UHH=K=KHHIBIB可见恒流源可见恒流源I I供电可使供电可使U UH H稳定，稳定，但灵敏度系数但灵敏度系数K KH H=R=RHH/d=/d/d=/d 也是温度的函数：也是温度的函数：T T ，温度温度T T变化时灵敏度变化时灵敏度KHKH也变化。也变化。多数霍尔器件是正温度系数，多数霍尔器件是正温度系数，T KT KH H ，可通，可通过减小过减小I I保持保持KHKH*I I不变，抵消温度造成不变，抵消温度造成K KH H增加的增加的影响。影响。2022-10-192022-10-19不变。的分流作用）并联电阻由
20、HPiiHHHURIRTKTIBKU(0;01 1、采用恒流源供电和输入回路并联电阻、采用恒流源供电和输入回路并联电阻2022-10-192022-10-19 温度温度 时，元件灵敏度系数为时，元件灵敏度系数为 ,输入输入电阻为电阻为 ，温度为，温度为t t时，他们分别时，他们分别为为 ，0Hk0iR0tHtkitR001()HtHkktt001()itiRRttPHIII因为因为PPHHI RI RPHPiR IIRR因此因此霍尔元件内阻温度系数霍尔元件内阻温度系数霍尔电势的温度系数霍尔电势的温度系数确定并联电阻的值：确定并联电阻的值：2022-10-192022-10-19温度为温度为t
21、t时时001()PPHtPitPiRRIIIRRRRtt0000PHPiR IIRR温度温度 时时0t为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证00HHHtHtkIBk I B2022-10-192022-10-19将有关式代入可得将有关式代入可得0PiRR通常通常霍尔电势的温度系数霍尔电势的温度系数远小于远小于霍尔元件内霍尔元件内阻温度系数阻温度系数，因此，因此0PiRR霍尔元件内阻温度系数霍尔元件内阻温度系数霍尔电势的温度系数霍尔电势的温度系数2022-10-192022-10-192 2、合理选取负载电阻、合理选取负载电阻 的阻值的阻值LR00001()
22、1()LHLLoR UttURRtt使使00()LdUd tt得得01LoRR2022-10-192022-10-193 3、采用恒压源和输入回路串联电阻、采用恒压源和输入回路串联电阻4 4、采用温度补偿元件、采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等如热敏电阻、电阻丝等)2022-10-192022-10-192022-10-192022-10-19霍尔元件不等位电势霍尔元件不等位电势 的温度补偿的温度补偿0U2022-10-192022-10-19（一）（一）霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器霍尔元件处于中间位置位移霍尔元件处于中间位置位移x=0 x=0时，由于时，由于B=0B=0，所以，所以U
23、 UH H=0=0霍尔元件右移霍尔元件右移,x0,x0，合成，合成磁感应强度磁感应强度B B向上向上,B0,B0，U UH H0 0 霍尔元件左移，霍尔元件左移，x0 x0，合成，合成磁感应强度磁感应强度B B向下向下,B0,B0，U UH H00。七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用2022-10-192022-10-19.HHdUIdBRKconstdxddx则Bx0.dBconstdx若HUKxx=磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：测量范围：1 2 mmHHIBURdNNSSIx磁钢2022-10-192
24、022-10-192、霍尔压力传感器、霍尔压力传感器工作原理：工作原理：把压力先转换成位移，应用霍尔电势与位移的关系把压力先转换成位移，应用霍尔电势与位移的关系测量压力。测量压力。3、霍尔磁极检测器、霍尔磁极检测器(图图4.43)工作原理：工作原理：在控制电流一定的情况下，通过霍尔电压的极性可在控制电流一定的情况下，通过霍尔电压的极性可判断磁场的方向，即确定磁铁磁极。判断磁场的方向，即确定磁铁磁极。霍尔压力传感器结构原理霍尔压力传感器结构原理 2022-10-192022-10-194 4、转速测量、转速测量转角HV02转角HV0NS霍尔元件永磁体被测轴永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端NS被测
25、轴霍尔元件永磁体永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧2022-10-192022-10-195 5、测量电流、测量电流测量大直流电流（测量大直流电流（10kA10kA），），霍尔元件测量电流原理：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流原理：检测通电导线周围的磁场（1 1）导线旁测法）导线旁测法HVIBCI简单、测量精度差、简单、测量精度差、受外界干扰大受外界干扰大2022-10-192022-10-19（2 2）导线贯穿磁芯法）导线贯穿磁芯法I霍尔元件通电导线导磁铁芯环形铁芯集中磁力线，环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度提高电流测量精度（3 3）绕线法）绕线法用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组
26、合而成。用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。把被测通电导线绕在导磁铁心上，把被测通电导线绕在导磁铁心上，2022-10-192022-10-19 由霍尔元件装配键体而成的开关电键。由霍尔元件装配键体而成的开关电键。工作原理：工作原理：用磁体作为触发媒介，当磁体接近霍尔电路时，用磁体作为触发媒介，当磁体接近霍尔电路时，产生一个电平信号，霍尔按键就是依靠改变磁体产生一个电平信号，霍尔按键就是依靠改变磁体的相对位置来触发电信号的。的相对位置来触发电信号的。特点：无触点按键开关特点：无触点按键开关6 6、霍尔开关按键、霍尔开关按键2022-10-192022-10-19（一）、霍尔开关集成传感
27、器（一）、霍尔开关集成传感器霍尔效应霍尔效应集成电路技术集成电路技术开关信号开关信号磁敏传感器磁敏传感器 霍尔开关集成传感器是利用霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路霍尔效应与集成电路技术结合技术结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量(测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性)，并以开关信号形式输，并以开关信号形式输出，分为常开、常闭型两种。出，分为常开、常闭型两种。八、霍尔集成传感器八、霍尔集成传感器2022-10-192022-10-19 由由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、稳
28、压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出开路输出五部分组成。五部分组成。稳压电路可使传感器在较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。便地与各种逻辑电路接口。1 1霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器内部结构框图霍尔开关集成传感器内部结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍尔元件霍尔元件放大放大BTBT整形整形地地H H2022-10-192022-10-19霍尔开关集成传感器的原理及工作过程：霍尔开关集成传感器的原理及工作过程
29、：当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压件输出霍尔电压V VH H，该电压经放大器放大后，送至施密特整，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。形电路。当放大后的当放大后的V VH H电压大于电压大于“开启开启”阈值阈值时，时，施密特整形电路施密特整形电路翻转，输出高电平，翻转，输出高电平，使半导体管使半导体管V V导通，且具有吸收电流的导通，且具有吸收电流的负载能力，这种状态我们称它为负载能力，这种状态我们称它为开状态开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的当磁场减弱时，霍尔元件输出的V VH H电压很小，经放大器放电
30、压很小，经放大器放大后其值也大后其值也小于施密特整形电路的小于施密特整形电路的“关闭关闭”阈值阈值，施密特整，施密特整形器形器再次翻转，输出低电平再次翻转，输出低电平，使半导体管，使半导体管V V截止，这种状态截止，这种状态我们称它为我们称它为关状态关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。动作。2022-10-192022-10-19 3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍尔开关集成传感器的外型及应用电路霍尔开关集成传感器的外型及应用电路1232022-10-192
31、022-10-192 2、工作特性、工作特性）（TB）（VVOUTON2OFFOPBRPBHB 工作点工作点“开开”OPB 释放点释放点“关关”RPB 磁滞磁滞HB高高低，开状态低，开状态OPBBRPBB低低高，关状态高，关状态2022-10-192022-10-19注：注：该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于关系。当外加磁感强度高于B BOPOP时，输出电平由高时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于B BRPRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。时，输出电平由低
32、变高，传感器处于关状态。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、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。压、输出导通电流、工作温度、工作点。2022-10-192022-10-19（二）线性霍尔集成电路（二）线性霍尔集成电路(测位移、测振动测位移、测振动)输出电压在一定范围与磁感应强度输出电压在一定范围与磁感应强度B B成线性关系。成线性关系。构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失调调整、线性度调整失调调整、线性度调整ccVOUTV稳压稳压地123ccV输出
33、稳压稳压地3418输出567R2022-10-192022-10-19)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度100R0R15R2022-10-192022-10-193 3霍尔开关集成传感器的应用霍尔开关集成传感器的应用 （1 1）霍尔开关集成传感器的接口电路）霍尔开关集成传感器的接口电路R RL LV VACACV VccccV VccccV VACAC2022-10-192022-10-19VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC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VACRL2022-10-19202
34、2-10-19（2 2）用霍尔开关集成传感器控制电机的通断）用霍尔开关集成传感器控制电机的通断4.7KDPST-525MS N12V1.1KC0.1VT2022-10-192022-10-19工作原理：工作原理：当永久磁铁靠近霍尔集成传感器当永久磁铁靠近霍尔集成传感器PST-525PST-525时，传感器输出端输出高电平，三极管时，传感器输出端输出高电平，三极管VT(PNP)VT(PNP)截止，直流电机截止，直流电机M M失电停止运转。当失电停止运转。当永久磁铁离开霍尔集成传感器时，传感器输永久磁铁离开霍尔集成传感器时，传感器输出端输出低电平，出端输出低电平，VTVT导通，导通，M M得电运转
35、。得电运转。2022-10-192022-10-194.3 4.3 磁阻元件磁阻元件 一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称也称MRMR元件。它的理论基础为元件。它的理论基础为磁阻效应磁阻效应。（一）磁阻效应（一）磁阻效应载流导体置于磁场中载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外除了产生霍尔效应外,导体中载流导体中载流子因受洛仑兹力作用要发生偏转子因受洛仑兹力作用要发生偏转,载流子运动方向的偏转使电载流子运动方向的偏转使电流路径变化流路径变化,起到了起到了加大电阻加大电阻的作用的作用,磁场越强增大电阻的作用磁场越强增大电阻的作用越强。外加磁场使导体越强。外加
36、磁场使导体(半导体半导体)电阻随磁场增加而增大的现象电阻随磁场增加而增大的现象称称磁阻效应磁阻效应2022-10-192022-10-19220(10.273)BB磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电B 磁感应强度为磁感应强度为B 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 磁感应强度磁感应强度B式中，式中，0B电阻率变化电阻率变化22200.273()BkB电阻率相对变化电阻率相对变化磁敏电阻：磁敏电阻：InSbInSb、InAsInAs2022-10-192022-10-19形状效应：形状效应：磁阻效
37、应还与样品的形状、尺寸密切相关。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象称为形状效应。大小变化的现象称为形状效应。考虑到形状效应，上述关系可近似表示为：考虑到形状效应，上述关系可近似表示为：f(l/b)为形状效应系数。为形状效应系数。20()1(/)k Bf l b2022-10-192022-10-19(二二)磁阻元件的结构及原理磁阻元件的结构及原理由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力由于霍尔电场作用会抵消洛伦兹力,磁阻效应被大大减弱磁阻效应被大大减弱,但仍然存在。磁阻元件的电阻率与形状有关：但仍然存在
38、。磁阻元件的电阻率与形状有关：长方形样品长方形样品 扁条状长形扁条状长形 圆盘样品圆盘样品电阻变化很小电阻变化很小 磁阻变化明显磁阻变化明显 不产生霍尔电场不产生霍尔电场HHUEb2022-10-192022-10-19 长方形样品：长方形样品：霍尔电场作用霍尔电场作用F FH H,电阻变化很小。电阻变化很小。扁条状长形：扁条状长形：霍尔电势霍尔电势E EH H很小电流磁场作用偏转厉害效应很小电流磁场作用偏转厉害效应 明显。明显。圆盘样品：圆盘样品：外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电极，外加磁场时，电流以螺旋形路径指向外电极，路径增大电阻增加。在圆盘中任何地方都不路径增大电阻增加。在圆盘中任
39、何地方都不会会 积累电荷也不会产生霍尔电场。积累电荷也不会产生霍尔电场。扁条形扁条形L Lb bb bb bv为了消除霍尔电场影响获为了消除霍尔电场影响获得大的磁阻效应得大的磁阻效应,一般将磁一般将磁敏电阻制成敏电阻制成圆形或圆形或扁条扁条形形，并且长方形的满足并且长方形的满足 L/b 1 L/b WLW长方形磁阻材料上面制作长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图种栅格磁阻器件如图2.6-382.6-38（b b）所示，就相当于许多扁条状磁阻所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅
40、格磁阻器件既增加串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。LWBBII（a）（b）2022-10-192022-10-191 1、灵敏度特性、灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。电阻特性的斜率。常用常用K K表示，单位为表示，单位为mV/mA
41、.kGmV/mA.kG即即.Kg.Kg。在运算时常用在运算时常用R RB B/R/R0 0求得，求得，R R0 0表示无磁场情况下，表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，磁阻元件的电阻值，R RB B为在施加为在施加0.3T0.3T磁感应强度时磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于阻元件的灵敏度大于2.72.7。（三）（三）磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性2022-10-192022-10-192 磁场电阻特性 磁阻元件磁场电阻特性N级0.30.20.100.10.2 0.3R/1000500S级(a)S、N级之
42、间电阻特性B/T15RBR0105温度(25)弱磁场下呈平方特性变化强场下呈直线特性变化0(b)电阻变化率特性0.2 0.40.6 0.81.0 1.21.4B/T磁阻元件的电阻值与磁场的极性无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关，它只随磁场强度的增加而增加在在0.1T0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过平方特性，而超过0.1T0.1T后呈现线性后呈现线性变化变化2022-10-192022-10-19输出电压V磁饱和点B=Bs0(b)磁场输出特性H从图中可以看出它与磁阻元件曲线相反，即从图中可以看出它与磁阻元件曲线相反，即随着磁场
43、的随着磁场的增加，电阻值减少。增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。即饱和。一般电阻变化为百分之几。强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线2022-10-192022-10-193 3 电阻电阻温度特性温度特性10384210242106-4002060100温度温度/电电阻阻变变化化率率%半导体元件电阻半导体元件电阻-温度特性曲线温度特性曲线从图中可以看出，从图中可以看出，半导体磁阻元件的半导体磁阻元件的温度特性不好温度特性不好。图。图中的电阻值在中的电阻值在3535的变化范围内减小的变化范围内减小了了1/21/2。因此，在。因
44、此，在应用时，一般都要应用时，一般都要设计温度补偿电路。设计温度补偿电路。2022-10-192022-10-19强磁磁阻元件的电阻强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线温度特性曲线：强磁阻元件电阻强磁阻元件电阻-磁场特性曲线磁场特性曲线图中分别给出了采用恒图中分别给出了采用恒流、恒压供电方式时的流、恒压供电方式时的温度特性。温度特性。采用恒流供电时，可采用恒流供电时，可以获得以获得500ppm/500ppm/的良的良好温度特性，好温度特性，而采用恒压供电时却而采用恒压供电时却高达高达3500ppm/3500ppm/。但是由于强磁磁阻元但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因件为开关方式工作，因此常用恒
45、压方式。此常用恒压方式。13010050电电阻阻变变化化率率%-30BX10-4/T电阻电阻+3500ppm/0 输出输出(恒流工作恒流工作)-500ppm/输出输出(恒压工作恒压工作)-3500ppm/602022-10-192022-10-19（三）磁敏电阻的应用（三）磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、用于开关电源、UPSUPS、变频器、伺服马达驱动器、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工家庭网络智
46、能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。2022-10-192022-10-194.4 4.4 磁敏二极管磁敏二极管 1 1磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理 （1 1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 磁敏二极管的结构和电路符号磁敏二极
47、管的结构和电路符号(a)(a)结构结构;(b);(b)电路符号电路符号+（b b）H H+H H-N N+区区p p+区区i i区区r r区区电流电流（a a）2022-10-192022-10-19特点：磁敏二极管的特点：磁敏二极管的PNPN结有很长的基区结有很长的基区，大于载，大于载流子的扩散长度，基区是由接近本征半导体的高流子的扩散长度，基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。阻材料构成的。结构：结构：在本征半导体的两端用合金法制成高掺杂在本征半导体的两端用合金法制成高掺杂的的P P型和型和N N型型两个区域，并在本征区（两个区域，并在本征区（i i）区的一个）区的一个侧面上，设置侧面上
48、，设置粗糙的高复合区粗糙的高复合区(r(r区区)，而与，而与r r区相区相对的另一侧面，保持为对的另一侧面，保持为光滑无复合表面光滑无复合表面。这就构。这就构成了磁敏二极管的管芯。成了磁敏二极管的管芯。2022-10-192022-10-19（2 2）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 P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负区接电源负极即外加极即外加正偏压正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，流过二极管的电流也在变化，也就是说化，流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。等效电阻随
49、着磁场的不同而不同。为什么磁敏二极管会有这种特性呢为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一下面作一下分析。下分析。2022-10-192022-10-19P PN NP PN NP PN NH H=0=0H H+H H-电流电流电流电流电流电流(a)(a)(b)(b)(c)(c)i ii ii i电子电子孔穴孔穴复合区复合区磁敏二极管的工作原理示意图磁敏二极管的工作原理示意图磁场磁场H=0H=0：少量电子和空穴在少量电子和空穴在I I区、区、r r区区复合，大部分复合，大部分P P区空穴区空穴N N区区电子形成电流。电子形成电流。正向磁场正向磁场H H+：电子和空穴由于洛仑兹电子和空穴由于洛仑
50、兹力作用偏向力作用偏向r r区，并在区，并在r r区很区很快复合，快复合，I I区载流子减小，区载流子减小，电电阻增大，阻增大，电流减小，压降增电流减小，压降增加。加。反向磁场反向磁场H-H-：电子和空穴偏向电子和空穴偏向r r区对面，区对面，复合减少，复合减少，I I区载流子增加，区载流子增加，电阻减小，电流增加，压降电阻减小，电流增加，压降减小。减小。2022-10-192022-10-19结论结论(磁敏二极管工作原理磁敏二极管工作原理)：随着磁场大小和方随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化向的变化，可产生正负输出电压的变化，特别是，特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电
