1、第7章 磁敏传感器7.1 霍尔传感器7.2 磁阻传感器7.1 霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器是霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。到人们的重视，应用日益广泛。一、霍尔效应一、霍尔效应置于磁场中的静止载流导体或半导体，当它的电流置于磁场中
2、的静止载流导体或半导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象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。称霍尔效应。该电动势称霍尔电势，载流导体（多该电动势称霍尔电势，载流导体（多为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。霍尔效应原理图+I+LddUHLfEf如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通电流如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通电流I，假设载流
3、子为电，假设载流子为电子（子（N型半导体材料），它沿与电流型半导体材料），它沿与电流I相反的方向运动。由于洛相反的方向运动。由于洛仑兹力仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转（如虚线箭头方向），并的作用，电子将向一侧偏转（如虚线箭头方向），并使改侧形成电子积累。而另一侧形成正电荷积累，元件的横向使改侧形成电子积累。而另一侧形成正电荷积累，元件的横向形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力电场力fE与洛仑兹力与洛仑兹力fL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在两端横面之间建立的电场称为霍尔电
4、场在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为，相应的电势称为霍尔电势霍尔电势UH。设霍尔片的长度为L，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力e电子电量(1.6210-19C)；v电子运动速度。evBfLbUeEefHHE)(bUvBffHEL得,0当达到动态平衡时同时，作用于电子的电场力nevj）；：电流密度（式中，2/mAj，：单位体积中的电子数n负号表示电子运动方向与电流方向相反。则电流强度I可表示为：nebdIvbdnevSjI/nedIBUbUvBHH，又同理，若霍尔元件为P型半导体，则pedIBUHp：单位
5、体积中的空穴数。二、霍尔系数和灵敏度可写成则设nedIBUneRHH,1dIBRUHHRH称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。HRne，得由电导率公式1）的运动速度（单位电场作用下载流子：载流子的迁移率，即）；：材料的电阻率（式中，Vsmm/2一般，电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此，制作霍尔元件时多采用N型半导体材料。neddRKHH1设IBKUHH则，KH称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位（mV/mAT）。上式说明：上式说明：（1）金属金属电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小
6、，因此因此不适宜制作霍尔元件不适宜制作霍尔元件；（2）元件的厚度）元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小采取减小d的方法来增加灵敏度。但不是的方法来增加灵敏度。但不是d越小越好，这会导越小越好，这会导致元件的输入和输出电阻增加。致元件的输入和输出电阻增加。若磁感应强度B的方向与霍尔片平面法线夹角为时，如P127，图8-2所示，此时实际作用于霍尔片的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos，其霍尔电势为：UH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍尔电尔电势的方向也改变
7、。但当磁场与电流同时改变方势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，向时，霍尔电霍尔电势并不改变方向。势并不改变方向。通常应用时，霍尔片两端加的电压为E，如果将霍尔电势中的电流I改写成E，可使计算方便，根据SLRne及1EBLbUH由上式可知，适当地选择材料迁移率（）及霍尔片的宽长比（b/L），可以改变霍尔电势UH值。三、霍尔元件材料及结构特点三、霍尔元件材料及结构特点霍尔器件片(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：5.42.70.2dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍尔电极R4ABCDR1R2R3
8、R4（c）霍尔输出端的端子霍尔输出端的端子C、D相应相应地称为地称为霍尔端霍尔端或霍尔电极、或霍尔电极、输出端。输出端。若霍尔端子间连接负载若霍尔端子间连接负载,称为称为霍尔霍尔负载电阻负载电阻或霍尔负载。或霍尔负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输输入电阻入电阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。霍尔端子间的电阻，称为霍尔端子间的电阻，称为输输出电阻出电阻或霍尔侧内部电阻。或霍尔侧内部电阻。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、控制电流端或输入电流
9、端。或输入电流端。B关于霍尔器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。H霍尔元件符号AAABBCCCDDD控制电流控制电流I；霍尔电势霍尔电势UH；控制电压控制电压V；霍尔负载电阻霍尔负载电阻RL；霍尔电流霍尔电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL,RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。UHRLVBIEIH霍尔器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。四
10、、基本电路形式五、基本特性五、基本特性 1.UHI特性当磁场（）恒定时，在一定温度下，测定控制电流I与霍尔电势UH，可得到良好的线性关系，如图P129，图87。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示，constBHIIUK)(IBKUHH又BKKHI则由此可得，灵敏度KH大的元件，其控制电流灵敏度KI一般也大。但是灵敏度大的元件，UH不一定大，因为UH还与I有关。2.UHB特性当控制电流I保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈现线性关系，而有非线性偏离。如P129图88六、误差分析及其补偿方法1.元件几何尺寸及电极焊点大小对性能的影响：元件的形状系数，)()(bLfbLfIBKU
11、HHHH实验表明，当L/b2时，形状系数fH(L/b)接近1。为了提高元件的灵敏度，可适当增大L/b值，实际设计时取L/b2就足够了。（1）几何尺寸对性能的影响在霍尔效应原理分析时，我们是将霍尔片的长度L看作无穷大来考虑的。实际上，霍尔片的长度是有限的，如果L太小，当小到某个极限值时，霍尔电场会被控制电流极短路，因此在霍尔电势的表达式中增加一项与几何尺寸有关的系数，（2）电极焊点大小对性能的影响霍尔电极的大小对霍尔电势的输出也存在一定的影响，如P130图810所示。按理想元件的要求，控制电流的电极应与霍尔元件是良好的面接触，而霍尔电极与霍尔元件为点接触。实际上，霍尔电极有一定的宽度 ，它对元件
12、的灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明，当 时，电极宽度的影响可忽略不计。l1.0Ll2.不等位电势U0及其补偿制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如图，当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电势极上仍有电势存在，该电势称为不等位电势U0。不等位电势是产生零位误差的主要原因。其等效电路如图所示，若两个霍尔电极在同一等位面上，则r1=r2=r3=r4，电桥平衡，U00。当霍尔电极不在同一等位面上时（如图），因r3增大、r4减小，电桥平衡被破坏，使U00。有各种方法可以减小不等位电势以达到补偿的目的。（如P131，图813）I1r2r3r4r1212不等位电势示意图
13、U0r4r2r3r1霍尔元件的等效电路I1122七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用 利用霍尔效应制作的霍尔器件，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域中均得到了广泛应用。利用霍尔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、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、罗盘、转速计、无触点开关等。利用霍尔传感器制作的仪器优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。(2)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。(4)频
14、率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍尔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mAESNR图图2.6-24 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IBKUHH由上式可知，霍尔元件的用途大致分为三类：（1）控制电流I恒定时，则元件的输出正比于磁感应强度，这种关系可用于测量恒定和交变磁场强度，如高斯计等；（2）当磁感应强度B恒定时，则元件的输出与控制电流成正比，这方面的应用有测量交、直流的电流表、电压表等；（3）当元件
15、的控制电流和磁感应强度都变化时，元件输出与两者的乘积成正比，这方面的应用有乘法计、功率计等。霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路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量，并以开关信号形式输出。霍尔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、能适应恶劣环境等优点。霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。1 1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
16、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VCC1霍耳元件放大BT整形地H 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。SN磁力集中器传感器磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图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1霍耳线
17、性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,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，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、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和双端输出两种，其电路结构如下图。（六）霍耳线性集成传感器（六）霍耳线性集成传感
18、器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 单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。2 2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(1)(1)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
19、.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2 2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(2)(2)传感器的输出特性如下图：2.52.01.51.00.50 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 7.2 磁阻传感器磁阻传感器磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。（一）（一）磁阻效应磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片若给通以
20、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，简就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。称为磁阻效应。在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化,它可表示为：22000273.0B为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 材料在磁感应强度为0时的电阻率；载流子的迁移率。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
21、子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。长方形磁阻器件只有在L(长度)W（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把LW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），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图2.6-38（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LWBB图2.6-38 几何磁阻效应II（a（b阻器件的灵敏度。常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。1 灵敏度特性 磁阻元件的
22、灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，单位为mV/mA.kG即.Kg。在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。（二）（二）磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性2 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关，它只随磁场强度的增加而增加在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化图2.6-40 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线输出电压V磁饱和点B=Bs0(b)磁场输出特性H作业 P161 81 82 88
