1、第第5章章 磁敏传感器磁敏传感器5.1 概述5.2 霍尔元件5.3 磁敏电阻（MR）5.4 磁敏二极管与磁敏三极管第第5章章 磁敏传感器磁敏传感器5.1概述概述在传感器中，有一类是对磁信号变化敏感的，称为磁敏传感器。这类传感器主要包括霍尔传感器、磁阻传感器、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏集成电路及接近开关等。磁敏传感器的应用分为两大类，即直接应用和间接应用。直接应用主要是磁量测量，包括测量磁场强度的各种磁场计，如地磁的测量、磁带和磁盘的读出、漏磁探伤、磁控设备等。间接应用主要是以磁场为媒介检测非磁信号。如电流、功率、频率、相位等；非电量测量，厚度、位移、振动、转速、流量、压力等。磁敏传感器可实现
2、非接触测量，在很多情况下，可采用永久磁铁来产生磁场，不需要附加能源，因此，这类传感器被广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。本章主要介绍霍尔元件、霍尔集成传感器、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管等传感器的原理、结构、特性及应用。5.2 霍尔元件霍尔元件 5.2.1 霍尔元件的特点霍尔元件的特点 1.工作原理工作原理 霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件，下图所示为霍尔效应的原理图。在一半导体薄片两端面通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH（称为霍尔电势或霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的产生是
3、由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。将长、宽、高分别为L、W、H的半导体薄片，置于磁场B之下，两端面a、b通以控制电流I时，薄片中电子运动速度与I的方向相反，在磁场作用下将受一个由c侧指向d侧方向的力的作用,电子运动因受该力的作用会使运动轨迹横向偏移，按图中虚线方向前进，电子向d侧偏转，使该侧面形成负电荷的积累,半导体片的一侧(d侧)电子密集出现负电荷，另一侧(c侧)电子稀疏呈现正电荷，两侧面之间形成电场EH，称为霍尔电场。使电子运动轨迹横向偏移的力是洛仑兹力fL，而霍尔电场建立之后又对电子施加电场力 fE，电场力与洛仑兹力的方向相反，阻止电荷的积累，最终达到动态平衡，这时fL=fE，而洛
4、仑兹力为：(5-1)电场力为：(5-2)以上两式中，e为电子电荷，UH为霍尔效应产生的电压，W为半导体片的宽度，当两力相等而方向相反时，可得 (5-3)若以n代表半导体内单位体积中的载流子数，则可得 (5-4)evBfLWUeeEfHHE-evBWUeHnevWHI 式中H为半导体片的厚度，负号表示电流方向与电子运动方向相反。根据上述两式可得：(5-5)(5-6)式中RH=1/（ne），RH为霍尔系数，其大小取决于导体载流子密度，它反映元件霍尔效应的强弱；KH为霍尔灵敏度，KH=RH/H，与霍尔系数成正比，与霍尔元件厚度成反比。通过以上分析，可以看出：(1)霍尔电压UH的大小与材料的性质有关。
5、一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍尔元件。霍尔元件一般采用N型半导体材料。IBHRneHIBUHHIBKUHH (2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。元件的厚度H越小，KH越大，UH也越大，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但太小，会使元件的输入、输出电阻增大，故也不宜太薄。(3)当元件的材料和尺寸确定后，RH和KH保持常数，霍尔电压UH仅和IB的乘积成正比。利用这一特性，在恒定电流下，可用来测量磁感应强度B；反之，在恒定的磁场下，也可以测量电流I。当KH和B恒定时，I越大，UH越大，但电流不宜过大，否则会烧坏霍尔元件。同样，当KH和I恒定时，B越大，UH也越大。当磁场改变方向时
6、，UH也改变方向，当磁场方向不垂直元件平面，而是与元件平面的法线成一角度时，实际作用于元件上的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcos，这时，霍尔元件的输出为：（5-7）2.霍尔元件的主要技术参数：为了达到最好的使用效果及最佳的性能价格比，在使用霍尔元件及传感器前，必须了解该元件的各种参数，霍尔元件的主要技术参数有：1)额定控制电流IC及最大允许控制电流Icm 在磁感应强度B=0时，霍尔元件在空气中产生10温升时所对应的控制电流，称为额定控制电流，一般用IC表示。IC的大小与霍尔芯片的尺寸有关，尺寸愈小，IC愈小，一般为几毫安到几十毫安。由于霍尔元件的输出电势随控制电流的cosIBKUHH增大而
7、增大，所以在实际使用中总希望选用较大的控制电流值。最大允许控制电流是以霍尔元件允许的最高温升值为限制所对应的控制电流，一般用Icm 表示。改善霍尔元件的散热条件，可以增大最大允许控制电流Icm的值。2)输入电阻Rin和输出电阻Rout 霍尔元件两个控制电流极之间的电阻称为输入电阻，均用Rin表示，两个输出极之间的电阻称为输出电阻，用Rout表示，单位为。霍尔元件的输入电阻与输出电阻一般为几欧姆到几百欧姆，通常输入电阻的阻值大于输出电阻，但相差不多。在测量霍尔元件输入、输出电阻时，一般是在室温及没有磁场（B=0）的条件下用直流电桥或用欧姆表直接测量。3)3)不等位电势不等位电势U U0 0和不等
8、位电阻和不等位电阻R R0 0 霍尔元件在额定控制电流作用下，在无外加磁场时（B=0），霍尔电极间的霍尔电势理想值应零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势，用U0表示。产生不等位电势的原因很多，主要是由于两个电极没有装配在同一等位面上所致，也与材料的电阻率不均匀、基片的宽度和厚度不一致以及电极与基片之间的接触的位置不对称或电接触不良有关。不等位电势U0与额定控制电流Ic之比称为霍尔元件的不等位电阻，一般用符号R0表示。实际应用中U0和R0越小越好。4)灵敏度 灵敏度包括霍尔灵敏度SH和磁灵敏度SB。(1)霍尔灵敏度KH 霍尔灵敏度又称乘积灵敏度，也可用SH表示，它是指霍尔元件在
9、单位控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压，单位为V/TA。(2)磁灵敏度SB 磁灵敏度SB是指霍尔元件在额定控制电流和单位磁感应强度作用下，输出极开路时的霍尔电压，单位为V/T。磁灵敏度与霍尔灵敏度的区别在于前者是反映在规定控制电流下，霍尔元件对磁场强度的检测能力，它仅与磁场强度有关，而后者是霍尔元件本身所具有的磁电转换能力的参量一般来说SBSH。5)寄生直流电势UOD 在不外加磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势称为寄生直流电势，一般用符号UOD表示，单位为A。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。6)6)温度系数温度系数
10、温度系数有霍尔电势温度系数和内阻温度系数。(1)(1)霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 霍尔电势温度系数是指霍尔元件在一定的磁感应强度和规定控制电流下，温度每变化1时，霍尔电势值变化的百分率，常用符号表示。这一参数对测量仪器十分重要，若仪器要求精度高，要选择霍尔电势温度系数小的元件，另外，必要时还要加温度补偿电路。(2)(2)内阻温度系数内阻温度系数 温度每变化1时，霍尔元件材料的电阻变化率称为内阻温度系数，常用符号表示。3 3、霍尔元件的材料及结构、霍尔元件的材料及结构 1)1)霍尔元件的材料霍尔元件的材料 霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH越大，UH越大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质和
11、尺寸，可以证明霍尔系数等于霍尔元件材料的电阻率与电子迁移率的乘积（RH=）。若要霍尔效应强，则RH值要尽可能地大，因此要求霍尔元件材料有较大的电阻率和载流子迁移率。绝缘材料具有很大的电阻率，但其载流子迁移率却极小；而金属导体的载流子迁移率很大，但电阻率很低，因而以上两种材料的霍尔系数的都很低，不能用于作霍尔元件。只有半导体材料，它既有很高的载流子迁移率，又具有电阻率较大的特点，可以获得很大的霍尔系数，适合用于制造霍尔元件。霍尔元件采用的材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb），砷化铟（InAs）。砷化镓（GaAs）及磷砷化铟（InAsP）等。InSb元件的输出较大，受温度的影响也较大（但最近研
12、制的新型霍尔元件，在-2080时，其温度系数低于0.002/）；砷化铟元件及锗元件的输出不如锑化铟大，但温度系数小，并且线性度也好；采用砷化镓的元件温度特性好，但价格较贵。2)结构结构 (a)结构示意图结构示意图 (b)符号符号图图5-2 霍尔元件霍尔元件 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图7-2所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，长宽为2：1，早期霍尔元件的制造工艺是在长度方向的两端焊有电流引出线1、1，其焊接占面占整个宽度W和厚度H。在长方形的另外两个边的中央焊有霍尔电压引出线2、2，其焊点很小，只占长度的十分之一以下。两组引线的焊接都应该是纯电阻性（欧姆接触），即无
13、PN结特性，否则影响输出。近年来采用外延及离子注入工艺或采用溅射工艺制造的产品，尺寸小.图7-3示为锑化铟霍尔元件的结构。它由衬底、半导体薄膜、引线及能提高输出灵敏度的磁性体顶部所组成，采用陶瓷或塑料封装。顶部半导体薄膜引线（电极）衬底图7-3 溅射薄膜霍尔元件 5.2.2 霍尔集成电路霍尔集成电路 集成霍尔传感器是利用霍尔效应与集成电路技术，将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、稳压电源及输出电路等做在一个芯片上而制成的一个简化的和比较完善的磁敏传感器，其外形与PID封装的集成电路相同，故也称为霍尔集成电路。集成霍尔传感器其尺寸紧凑，输出信号明快，传送过程中无抖动现象，且功耗低、温度特性好（带有
14、补偿电路），能适应恶劣环境。集成霍尔传感器的霍尔材料仍以半导体硅作为主要材料，按其输出信号的形式可分为开关型和线性型两种。1、开关型集成霍尔传感器、开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器输出的是高低电平数字式信号，因此，可与数字电路直接配合使用，控制系统、设备、仪表等的开和关，常用的型号有UGN-3000系列和CS系列，主要参数请查阅有关资料，1)开关型集成霍尔传感器的内部结构开关型集成霍尔传感器的内部结构图5-4 霍尔开关集成传感器内部结构框 图5-4为开关型集成霍尔传感器的结构框图，它主要由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围
15、内工作，开路输出便于传感器与各种逻辑电路接口。2)开关型集成霍尔传感器的工作原理开关型集成霍尔传感器的工作原理 当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压。该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的霍尔电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使三极管VT导通，且具有拉流的能力，整个电路处于开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后，其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使三极管VT截止，电路处于关状态。这样，一次磁场强度的变化就使传感器完成了一次开关动作。图5-5所示是霍尔开关集
16、成传感器的典型内部电路。下面简要分析各部分的具体作用。图5-5 开关型霍尔集成传感器电路 (1)霍尔元件霍尔元件 由平面型硅霍尔元件组成。一般在0.1T磁场作用下，该器件的开路输出电压可达20mV左右。当接有负载后，仍有10mV的输出电压，图中以H表示。(2)补偿元件补偿元件 由两只二极管VD1、VD2和霍尔元件串联而成，霍尔元件的输出电压是负温度系数，而二极管的电压与温度也是呈现负温度系数关系，因此补偿效果较好。(3)差分放大差分放大 利用差分放大器进行放大。差分放大器由三极管VT1、VT2和电阻R1、R2、R3、R4组成。霍尔元件的信号在毫伏级，差分放大器能使霍尔电压放大到足以驱动后一级电
17、路。(4)施密特触发器施密特触发器 VT3、VT4、R5、R6等构成施密特触发器，它将差分放大后的霍尔电压信号整形为矩形脉冲，然后经VT7的集电极开路输出。3)开关型集成霍尔传感器工作特点开关型集成霍尔传感器工作特点 图5-6（a）、（b）所示为开关型霍尔集成电路的工作特性。从图（a）可以看出，其工作有一定的磁滞BH，使开关动作更可靠。BOP为工作点“开”的磁场强度；BRP为释放点“关”的磁场强度。当外加磁感应强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感应强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。还有一种“锁键型”开关集成霍尔传感器（例UGN-3075/76），
18、当外加磁场强度超过工作点开时，其输出导通；当磁场撤消后，输出状态保持不变，必须施加反向磁场并使之超过释放点，才能使其关断。其工作特性如图7-6（b）所示。图图5-6 开关型集成霍尔传感器的工作特性开关型集成霍尔传感器的工作特性 2、线性型集成霍尔传感器、线性型集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器的输出为模拟电压信号，并且与外加磁场呈线性关系。从输出形式来看，线性集成霍尔传感性可分为单端输出型和双端输出（差分输出）型两种电路。1)单端输出型单端输出型 单端输出型线性霍尔传感器的框图及外型图如图7-7所示，图为常用的UGN-3501T型集成霍尔传感器，它为塑料扁平封装的三端元件，有T、U两种型号，T
19、型和U型的区别仅是厚度不同，T型厚度为2.03mm，U型为1.54mm。图5-7 单端输出型霍尔传感器 UGN-3501T的霍尔输出与磁感应强度的关系如图的霍尔输出与磁感应强度的关系如图7-8所示。从所示。从图中可以看出，在（图中可以看出，在（-0.15+0.15）T的磁感应强度时，集成霍尔传的磁感应强度时，集成霍尔传感器具有较好的线性，而当磁感应强度超过此值时，呈饱和状态。感器具有较好的线性，而当磁感应强度超过此值时，呈饱和状态。图图5-8 UGN-3501T的霍尔输出与磁感应强度的关系的霍尔输出与磁感应强度的关系 2)双端输出型 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装器件，可提供差动跟随输
20、出，还可提供输出失调调零。图5-9为双端输出型UGN-3501M线性集成霍尔传感器的框图，它采用8脚封装，其中、两脚为差动输出，脚为空脚，脚为VCC，脚接地，、三脚之间外接一电位器，主要用于对不等位电势进行补偿，还可以改善线性，但灵敏度有所降低。若允许有不等位电势输出时，则该电位器可以不接。图5-9 双端输出型霍尔传感器 UGN-3501M霍尔输出与磁感应强度的关系如图5-10所示，由图可知，当其、脚间接不同阻值的电阻时，同一磁场强度下，阻值越大，输出越低，但线性度越好。图图5-10 UGN-3501M输出与磁感应强度的关系输出与磁感应强度的关系 UGN-3501M的、两脚输出的极性与磁场方向
21、有关，当磁场的方向相反时，其输出极性也相反，如图5-11所示。图5-11 UGN-3501M输出的极性与磁场方向的关系 UGN-3501T与与UGN-3501M的参数如表的参数如表7-1所示所示 表5-1 VGN-35017与VGN-350M参数表 位 电源电压电源电 流静 态 输出灵敏度带宽工作温 度线性范围外形尺寸VCCICVOVOBWBL VmAVmV/mATKHzTmmUGN-3501THP-503812最大1610202.553500700025(-3dB)0700.154.64.52UGN-3501M8161018100400mV70014002507000.38脚PID型号单 位
22、符 号项 目 5.2.3 霍尔元件应用实例霍尔元件应用实例 霍尔元件及传感器尺寸小、重量轻、结构简单、无触点、寿命长、频响宽、动态特性好，因而广泛应用于测量、自动控制等领域。下面举例说明。1、电流测量、电流测量利用霍尔元件或霍尔传感器可制成电流传感器，通过测量导体中电流产生的磁场，可检测出流过导体的电流值，这种测量方法的特点是可以不断开电路来测量电流，这样就能很方便地测量大的直流电流。这种电流传感器可用于测量电流，也可制成电流过载检测器或过载保护装置。其工作原理如图7-12所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔元件或传感器插入其中，圆环上绕有线圈，当检测电流通过线圈时，产生磁场，霍尔传感器就有信
23、号电压UH输出，根据UH可求出电流的大小。若采用传感器UGN-3501M，当线圈为9匝，电流为20A时，则可产生0.1T的磁场强度，输出电压UH约为1.4V，相反，当测得UH1.4V时，即可知被检测电流约为20A。图5-12 电流传感器原理图 2、开关电路、开关电路 图7-13是采用霍尔元件的电流开关电路。霍尔元件随所加磁场的变换，输出电压不同，使三极管VT1和VT2轮流导通与截止，并从A和B端输出相位互差180的信号。此电路常作为直流无刷电机的磁极位置检测电路。3、霍尔计数装置、霍尔计数装置 霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属的
24、有无进行检测。利用这一特性可制成计数装置。图5-14是对黑色钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通过霍尔传感器时，传感器可输出20mV的脉冲电压，该脉冲电压经运算放大器放大后，输入到VT的基极，驱动三极管VT工作，VT输出端可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。电容C1和电阻R1构成滤波电路使霍尔元件在磁场中输出的直流分量以及不等位电势等被滤除掉。4、自动供水装置、自动供水装置 自动供水装置可实现凭票定量自动供应开水，具有节约用水而又卫生的特点，特别适用于办公楼与集体宿舍公共水房安装使用。自动供水装置的结构图如图5-15所示。锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭，电磁阀的打开与关闭受控于
25、控制电路。当用水者打水时，需将铁制的取水牌从投放口投入，取水牌沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到磁传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头流出。经延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止，又恢复到停止供水状态。图图5-15 自动供水装置的结构图自动供水装置的结构图 自动供水装置的电路如图7-16所示，它主要由磁传感装置、单稳态电路、固态继电器、电源电路及电磁阀等组成。磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成。平时，SL3020传感器因空气隙的存在受磁铁磁场的作用较小，其输出为低电平，晶体管VT1处于截止状态，由IC1组成的单稳态电路复位，IC1的
26、输出端3脚输出低电平，固态继电器SSR由于无控制电流而处于常开状态，电磁阀Y断电而关闭，水龙头无水流出。单稳态电路在复位状态时，IC1内部将电容C2短路。取水牌NSR1R3R4RP17809SSRSP1110IC1555R2SL3020VT13DG6C10.1C233C30.01C40.1C5220IC2R551030K82K470K100K390+-220VIN4007Y1322671534831水龙头VD1VD2+图7-16 自动供水装置电路图H2 当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通过磁传感装置时，铁制取水牌将磁铁的
27、磁力线短路，过磁传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器传感器受较强磁场的作用输出为高电平脉冲，经晶体管受较强磁场的作用输出为高电平脉冲，经晶体管VT1反相后触发单反相后触发单 稳态电路翻转进入暂稳状态。此时IC1的3脚输出为高电平，使固态继电器SSR有电流流通而闭合，电磁阀Y得电工作，自动开阀放水。单稳态翻转后，IC1内部电路将C2原短路状态释放，C2通过RP1和R4开始充电。当C2上的电位充电到IC1的阈值时，触发单稳态电路又翻转复位，IC1输出端第3脚又恢复到低电平，固态继电器SSR断开，电磁阀Y失电关闭，水龙头自动停止出水，电路又恢复到平时状态。单稳态电路每次由稳态
28、翻转进入暂稳态状态的时间长短，也就是每次供水的时间长短，该时间取决于C2、R4、RP1的时间常数，调节RP1可在320s范围内改变这一时间。C1和C3是旁路电容，主要用来消除各种杂波的干扰。5.3 磁敏电阻（磁敏电阻（MR）5.3.1 磁敏电阻的特点磁敏电阻的特点 1、工作原理、工作原理 磁敏电阻是利用磁阻效应制成的磁敏元件，也称为MR传感器。所谓磁阻效应是指某些材料，加上外磁场，其电阻值随磁场强弱而变化的现象。所以通过磁敏元件，可检测磁感应强度，或者检测磁场方向。半导体和金属材料的磁阻现象差别很大，所以磁敏电阻分为两类。LWWLLWWL图7-17 磁阻效应示意图有磁场无磁场磁场BI(a)L/
29、W1(C)柯比诺元件IIIIIBB1)1)半导体磁敏电阻半导体磁敏电阻 其工作原理是：无磁场时，元件的电流密度矢量一般呈直线状，当磁场垂直加在元件表面上时，由于霍尔效应，电流密度矢量与电场方向偏离了角（霍尔角），电流经过的路径就变长了，于是电阻值也相应地增加。其工作原理示意图如图5-17所示。这种物体电阻的增加是因为加入磁场后，使电流分布发生变化，称为几何磁阻效应。该磁阻效应与半导体的形状和尺寸有关。从图5-17中可以看出，柯比诺元件的磁阻效应最好，但由于它的初始电阻值很小，实用价值不大。实用的磁阻元件主要采用锑化铟制成，其结构示意图如图7-18所示。它是把许多小的InSb矩形体单元串联在一起
30、构成的，采用这种结构的目的是为了提高灵敏度。L/W1结构的磁阻元件，其灵敏度比L/W1结构的灵敏度高（其中L为InSb小矩形体的长度，W为其宽度）。但L/W1形状降低了电阻值。实际应用中为获得高的电阻率及便于调整阻值，一般采用L/W1形状的单体串联结构，并且在InSb的两端夹以金属形成单体，并排成“弓”字形，从而提高电阻变化率。2)强磁性磁敏电阻强磁性磁敏电阻 强磁性磁敏元件的磁阻效应本质上与半导体的磁阻效应不同，它的电阻值与磁场的大小成反比。图7-19为其结构图。强磁性磁敏电阻感磁部分为NiCo强磁性金属构成，磁场方向应平行于电流方向（与半导体磁敏元件不同）。2、磁敏电阻的主要特性、磁敏电阻
31、的主要特性 1)灵敏度灵敏度K RB/R0的比值称为磁敏电阻的灵敏度。R0为无磁场时元件的阻值，RB是磁场强度为B时的电阻值。有的厂家也用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示。一般来说，磁敏电阻的灵敏度K2.7 2)磁阻特性由线（磁阻特性由线（B-R特性）特性）磁敏电阻的电阻值R随磁感应强度B变化的曲线如图7-20所示。可以看出磁敏元件的电阻值与磁场的极性无关，只随磁场强度的增加而增加 3)温度系数温度系数 温度每变化1时，磁敏电阻的相对变化（%/）。磁敏电阻的温度系数约为-2%/，是比较大的，即磁敏电阻值受温度变化影响较大。为了补偿磁敏电阻的温度特性，可以采用两个磁敏电阻串联，用分压输出，可大
32、大改善元件的温度特性。5.3.2 磁敏电阻的应用实例磁敏电阻的应用实例 利用磁敏电阻可变的特点，可以在无触点开关、转速计、磁通计、编码器、图形识别等多方面得到应用。下面介绍非接触式角度传感器，输入为角度，输出为电压。其工作原理如图7-21所示。它是由两个半环形磁敏电阻组成，半圆形磁铁与磁敏电阻之间有间隙，当磁铁转动时，产生相应的磁场以差动方式加于两个磁敏电阻上，则RM1、RM2的电阻变化就表现为相应的电压变化，作为输出电压。由特性曲线可知，输出电压与转角变化有一段为线性关系，利用这线性关系可以构成转角传感器。BS系列磁敏电阻可用作图形识别。例：识别纸币的真伪，如果是真币，经过有磁性油墨印刷的1
33、00字样时，输出信号幅值很大，若是伪币则无此信号。5.4 磁敏二极管与磁敏三极管磁敏二极管与磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后发展起来的一种磁电转换元件。这种元件具有响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点，有很高的灵敏度，可以在较弱的磁场条件下获得较大的输出电压，这是霍尔元件和磁敏电阻所不及的。它不但能检测出磁场大小，并且能测出磁场方向，体积小、测试电路简单，所以特别适合制作无触点开关、小量程高斯计、漏磁测量仪、磁力探伤仪等仪器和仪表。5.4.1 5.4.1 磁敏二极管磁敏二极管 1 1、磁敏二极管的结构和工作原理、磁敏二极管的结构和工作原理 磁敏二极管是一种电阻
34、值随磁场强度的大小和方向均改变的结型二端磁敏元件（注意与磁敏电阻不同，磁敏电阻的阻值与磁场强度大小有关而与其方向极性无关）。磁敏二极管的材料为锗和硅半导体材料。磁敏二极管的结构与符号如图5-22所示。磁敏二极管的结构是P+-i-N-型，在本征半导体高纯度锗（或硅）的两端，用合金法制成高掺杂的P型和N型区，中间为本征区（i区），i区的长度远远大于载流子扩散的长度，在i区的一个侧面上用喷砂、研磨或扩散杂质等方法制成高复合区（r区），在r区载流子的复合速率较大，r区的对面则保持光滑无复合表面。当给磁敏二极管加上正向电压（即P区接“+”，N区接“”）时，P区向i区注入空穴，N区向i区注入电子。在没有外
35、加磁场情况下，大部分的空穴和电子分别流入N区和P区而产生电流，只有一小部分电子和空穴在i区被复合掉，如图7-23（a）所示。当加上一个正磁场时，如图5-23（b）所示，电子和空穴由于受洛仑兹力的作用均偏向r区，并在r区很快复合。这样使得在i区的载流子密度减小，电流减小，于是二极管的内阻增加，外部电压分配给i区电压增加，而分配在Pi结和Ni上的电压减小，结电压的减小，又进一步使载流子注入i区的数量减小，i区电阻进一步增加，直到某一稳定状态。当给磁敏二极管加一个反向磁场，如图5-23（c）所示，电子和空穴在洛仑兹力作用下，向r区对面偏转，偏离r区，结果与加正向磁场时情况相反，i区电流增大，电阻减小
36、，分配给i区电压减小，Pi、Ni结电压增加，促使更多载流子向i区注入，使i区电阻进一步减小，直到进入某一稳定状态为止。由以上分析可知，磁敏二极管是采用电子空穴双重注入效应及复合效应原理工作的。当加上正向电压时，二极管的阻值将随磁场的大小和方向而改变，并且随着磁场大小和方向的变化可产生正负输出电压的变化，利用这一点可以判别磁场方向。若在磁敏二极管上加上反向电压时，仅有微小电流流过，并且几乎与磁场无关。二极管两端的电压不会因受到磁场作用而有任何改变。因此磁敏二极管只能在正向电压下工作。2、磁敏二极管的主要技术参数、磁敏二极管的主要技术参数 1)灵敏度灵敏度 (1)电流灵敏度电流灵敏度 在恒定电压下
37、（6V），磁感应强度由B=0变为B=0.1T时所引起的磁敏二极管工作电流的相对变化量，即 (5-8)式中SI为电流相对灵敏度，单位是T-1，I为B=0.1T时流过磁敏二极管的电流；I0为B=0时流过磁敏二极管的电流。上式为电流相对灵敏度，为简便起见，可用绝对灵敏度表示，表达式为%1001.000IIISI(5-9)SI的单位为A/T1.00IIBISI (2)电压灵敏度电压灵敏度 在恒定电流下（I=3mA），磁感应强度由B=0变化到B=0.1T所引起的磁敏二极管输出电压的相对变化量，即 (5-10)式中：SU为电压相对灵敏度，单位为T-1；U0为B=0时磁敏二极管两端的电压；U为B=0.1T时
38、，磁敏二极管两端的电压。上式为电压相对灵敏度，为简便起见，可用绝对灵敏度表示，其表达式为 (5-11)SU的单位为V/T%1001.000UUUSU1.00UUBUSU 2)磁电特性磁电特性 磁敏二极管的磁电特性是指在一定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系，其特性曲线见图7-24。在弱磁场及一定的工作电流下，曲线有较好的线性，在强磁场下则成非线性。图图5-24 磁敏二极管的磁电特性磁敏二极管的磁电特性 3)伏安特性伏安特性 在给定磁场下，磁敏二极管两端正向偏压和通过其上电流的关系曲线，图7-25是磁敏二极管在不同磁场强度时的伏安特性曲线。由曲线可见，通过磁敏二极管的电流越大，则
39、在一定磁场强度下输出电压越大，磁灵敏度越高。当磁敏二极管所加电压一定时，在正向磁场作用下，二极管的电阻增加，电流减小。在反磁场作用下，电阻减小，电流增大。图5-25 磁敏二极管伏安特性 4)温度特性温度特性 磁敏二极管的温度特性是指在标准测试条件下，其输出电压的变化量U随温度变化的规律。图7-26所示为磁敏二极管的温度特性曲线，温度越高，工作电压和灵敏度均下降。图图7-26 磁敏二极管的温度特性磁敏二极管的温度特性 3、应用实例、应用实例 位移测量：位移测量：利用两个磁敏二极管可以组成差动输出式位移传感器，其结构及电路图如图7-27所示。导磁板放置在两个磁敏二极管的中间，当导磁板向右移动时，磁
40、敏二极管VD2离导磁板距离减小，VD2中磁铁端面上的B增大，磁敏二极管VD2的电阻增加，而磁敏二极管VD1的电阻减小，电桥失去平衡。相反，当导磁板向左移动时，VD1的电阻将增加，VD2的电阻将减小，电桥也失去平衡，输出与位移成比例的信号。测量出电信号，就可以计算出位移量。7.4.2 磁敏三极管磁敏三极管 1、磁敏三极管的结构和工作原理、磁敏三极管的结构和工作原理 磁敏三极管有PNP型和NPN型结构，按半导体材料的不同，又有锗和硅磁敏三极管。图7-28为NPN型磁敏三极管的结构和电路符号。磁敏三极管有两个PN结，其中发射极e和基极b之间的PN结是长基区二极管，在长基区i区的侧面设置一高复合区（r
41、区）。图图7-28 磁敏三极管的结构和符号磁敏三极管的结构和符号 图7-29为磁敏三极管的工作原理图。图7-29（a）是无外磁场作用时，从发射极e注入到i区的电子由于i区较长，在横向电场Ube的作用下，大部分被分流到基极，形成基极电流，只有少部分传输到集电极形成集电极电流，基极电流大于基电极电流，电流放大系数=IC/IB1。图7-29（b）为在外部磁场B+作用的情况。从发射极注入到i区的电子，除受横向电场Ube作用外，还受洛仑兹力的作用，使其向高复合区r方向偏转。结果使流入集电极的电子数和流入基区电子数的比例发生变化，使集电极电流下降。图7-29（c）为在外部磁场B-作用的情况。从发射极注入到
42、i区的电子，在洛仑兹作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。(a)(b)(c)图7-29 磁敏三极管的工作原理图 综上所述，磁敏三极管工作原理与磁敏二极管完全相同。无外界磁场作用时，由于i区较长，在横向电场作用下，发射极电流大部分形成基极电流，小部分形成集电极电流。在正向或反向磁场作用下，会引起集电极电流的减小或增加，即三极管的值是随磁场变化而变化的。因此，可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减小，用磁场的强弱控制集电极电流增加或减小的变化量。2、磁敏三极管的主要技术参数、磁敏三极管的主要技术参数 1)灵敏度灵敏度h 磁敏三极管的灵敏度有正向灵敏度和负向灵敏度两种，它们表示当基极电流恒定在
43、IB=2mA（锗管）或IB=3mA（硅管）时，外加磁感应强度由B=0变为B=0.1T所引起的集电极电流的相对变化量，即 (7-12)式中：IC0为B=0时的集电极电流；IC为B=0.1T时的集电极电流；h单位为T-1。%1001.000CCCIIIh 2)磁电特性磁电特性 磁敏三极管的磁电特性为在基极电流恒定时，集电极电流的变化量 IC与外加磁场的关系曲线。图7-30为NPN型锗磁敏三极管3BCM的磁电特性曲线。从图中可以看出，在弱磁场区，曲线几乎成线性变化，在强磁场区，曲线趋于饱和，与磁敏二极管相似。图图7-30 磁敏三极管的磁电特性曲线磁敏三极管的磁电特性曲线 3)温度特性温度特性 磁敏三
44、极管的温度特性是指集电极电流随温度变化的特性。这种特性常用温度系数来表示。温度对磁敏三极管集电极输出电流的影响较大，并且温度越高，磁敏三极管对温度越敏感。因此实际使用时应进行温度补偿。小小 结结 磁、电可以通过电磁感应相互转换，因此磁场强度的变化可转变为电信号的变化。磁敏传感器就是把磁学物理量转换成电信号的传感器。本章主要介绍了霍尔传感器。霍尔传感器有霍尔元件和霍尔集成电路两种类型。霍尔元件是分立型结构，霍尔集成电路是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等做在一个芯片上的集成电路型结构，与前者相比，霍尔集成电路更具有微型化、可靠性高、寿命长、功耗低以及负载能力强等优点。霍尔传感器的工作原
45、理是以霍尔效应为基础的，本章介绍了霍尔效应现象，分析了产生霍尔电势UH的原因及UH与相关物理量的关系，UH=KHIB，其中KH 为霍尔常数，其大小与元件的材料和尺寸有关。还介绍了霍尔元件的主要技术参数和特性，并结合实例进行了详细的分析。半导体元件在磁场中不仅会发生霍尔效应现象，还会发生磁阻效应现象。磁敏电阻是利用磁阻效应制成的。本章最后还介绍了近年来发展较大、应用较广的磁敏电阻、磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理及特性，并通过具体电路分析了其实际应用。本章的理论基础是霍尔效应和磁阻效应，在此基础上要掌握各种磁敏传感器的工作原理、主要技术参数和特性以及实际应用。另外，磁敏传感器的材料一般为半导体材料，半导体材料的参数会的随温度的变化而变化，因此磁敏传感器的一些技术参数都会随着发生变化，使磁敏传感器产生温度误差。所以在高精度或较高精度的测量中，必须进行温度补偿。
