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第4章 磁敏传感器
传感器原理及应用
第四章 磁敏传感器

23.09.2019

传感器原理及应用

第4章 磁敏传感器

磁场 磁敏传感器 电能

测量原理:半导体材料中的自由电子及空穴

随磁场改变其运动方向

结构

体型 —— 结型 ——

霍尔传感器 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管

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第4章 磁敏传感器

4.1 磁敏传感器的物理基础

1、磁现象:磁荷不能单独存在,必须N、S成对存 在,并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等 于零,即divB=0

2、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的关 系:F=e(E+vB)=eE+evB
3、磁通变化与电动势的关系:

E??d? ??dB
dt dt

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4.2 霍尔元件
一、霍尔效应 ? 金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流
过时,在垂直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。 ? 德国物理学家霍尔1879年发现。

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二、霍尔元件工作原理:

如图所示N型半导体薄片,于垂直方向上施加磁

感应强度为B的磁场,在薄片左右两端通以控制电

流I。

B

UH

fl

b

v

fE

d

I

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分析:
? 半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的
方向运动。
? 由于外磁场B的作用,使电子受到磁场力fL(洛仑
兹力)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 后断面间形成电场。
? 该电场产生的电场力fE 阻止电子继续偏转。
当fE?fl 时,电荷积累 平达 衡到 。
fl ?e(v?B) fE?eE

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fl?e(v?B )?fE?eE

?E?v?B?U bH?E?vB?UH?bvB
I?ne?bd

? ? U H?B b?n Ie B d?R HId B?K H IBRH

?

1 ne

?

??

式中:ρ—电阻率、n—电子浓度 μ—电子迁移率μ=υ/E
单位电场强度作用下载流子运动速度。

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? 在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁
场方向)建立电场,称为霍尔电场EH,相应的 电势称为霍尔电势UH。

UH

?

RH

?

IB d

UH= KH I B

RH—霍尔系数,由载流材料的物理性质决定; kH—灵敏度系数,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

的霍尔电势的大小;

d —薄片厚度。

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讨论: ? 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; ? 绝缘材料电阻率ρ很大,电子迁移率μ很小,不适用;
? 金属材料电子浓度n很高,RH很小,UH很小,不适用; ? 半导体材料电阻率ρ较大RH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,所以霍尔元 件多采用 N 型半导体(多电子);
? 由上式可见,厚度d越小,霍尔灵敏度KH越大,所以 霍尔元件做的较薄,通常近似1微米(d≈1μm)。

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注:
1、当电流I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 输出电势不改变方向。
2、如果磁场和薄片法线有θ角,那么 :
VH= KH I B cosθ

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电流极 三、霍尔元件的结构

霍尔电极

D

A

B

s

5.4

2.7
C
0.2 0.3 0.5 (a)

2.1
w
A
l
R4
(b)

d
D R1 R2
B
R4 R3 C
(c)

(a)实际结构(mm);(b)简化结构;(c)等效电路

外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸:5.4×2.7×0.2

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材料:锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟

灵敏度低、温度 特性及线性度好

灵敏度最高、 受温度影响大

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C A
B
D

C

A

B

H

D

霍尔器件符号

C AB
D

?霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。

?电流端子A、B称为器件电流端、控制电流端。

?端子C、D称为霍尔端或输出端。

?实测中可把I*B作输入,也可把I或B单独做输入; 通过霍尔电势输出测量结果。

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四、主要技术参数及特性
(1)额定激励电流 IH ——霍尔元件的允许温升规定着一个最 大控制电流。
(2)不平衡电势U0 不等位电势、零位电势 ——IH、B=0、空载霍尔电势
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

(3)输入电阻Ri 、输出电阻R0 Ri —— 控制电流电极间的电阻 R0 —— 输出霍尔电势电极间的电阻

B=0 欧姆表

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(4)基本特性

UH= KH I B

?直线性:指霍尔器件的输出电势UH分别和基本参数

I、U、B之间呈线性关系。

?灵敏度KH:
乘积灵敏度:

霍尔元件的输出电压要由磁感应强度B和控制
电流I的乘积来确定,表示霍尔电势UH与两者乘积之间
的比值,通常以mV/(mA·0.1T)。

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若控制电流值固定,则: UH=KBB KB——磁场灵敏度,通常以额定电流为标准。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 对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。
若磁场值固定,则: UH=KI I KI——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。

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五、基本电路

IH

I

B

V

控制电流I; R3 VH 霍尔电势VH;

控制电压V;

R E

霍尔负载电阻R3;

霍尔电流IH。

霍尔器件的基本电路

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R3,R3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。

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霍尔元件输入输出电路: 1、恒压工作:
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
磁阻效应的影响。 2、恒流工作:
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。 3、差分放大:
特点:能去除霍尔输出的同相电压

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六、霍尔元件的误差及其补偿
产生误差的原因: 一是制作工艺、制作水平的限制。 二是外界温度的影响。 (一)零位误差 1、不等位电势U0及其补偿 B=0,I≠0,UH=U0≠0。 U0为不等位电势。

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产生原因: ①霍尔电极安装位置不对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 匀分布等。

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产生原因: ② 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, 等电位面歪斜。

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不等位电势的补偿: 不等位电势可表示为U0=r0IH(r0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, 不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出U0≠0, 可在电阻大的桥臂上并联电阻。

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2.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。
原因: ①由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而 形成整流效应, ②两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同 引起温差所产生的。

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(二) 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它
们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变 化时, 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,致使霍尔电动势变化, 产生温度误差。
以下是几种补偿方法:

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1、采用恒流源供电和输入回路并联电阻
思路: ?由UH=KHIB可见恒流源I供电可使UH稳定, 但灵敏度系数KH=RH/d=ρμ/d 也是温度的函数: T ρ μ ,温度T变化时灵敏度KH也变化。
?多数霍尔器件是正温度系数,T KH ,可通 过减小I保持KH*I不变,抵消温度造成KH增加的 影响。

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1、采用恒流源供电和输入回路并联电阻
由UH ?KHIB ?T ?0? KH ?; ?T ?0?Ri ??Ii ?
(并联电R阻 P的分流作用) UH不变。

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确定并联电阻的值:

温度 t 0 时,元件灵敏度系数为 k H 0 ,输入电 阻为 R i 0 ,温度为t时,他们分别为 k H t R i t ,
kH t ?kH 0[1??(t?t0)]

? 霍尔电势的温度系数
R it ?R i0[1?(t?t0)]

因为

霍尔元件内阻温度系数

I ? IP ?IH IPRP ?IHRH

因此

IH

?

RP I RP ? Ri

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温度 t 0 时

IH0

?

RP0I RP0 ? Ri0

温度为t时
? IH t?R P R ? P R itI?R P?R i0[1 R ? P (t?t0)]I

为了使霍尔电势不随温度而变化,必须保证

kH0IH0B?kH tIH tB

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将有关式代入可得

? ?? RP ? ? Ri0

通常霍尔电势的温度系数远小于霍尔元件内

阻温度系数,因此

RP

?

? ?

Ri 0

霍尔元件内阻温度系数

霍尔电势的温度系数

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2、合理选取负载电阻 R L 的阻值
UL?RRLL? UR Ho00[1[1????(t(t??t0t0)])]

使

dU L d (t ? t0 )

?

0



RL

?

Ro0

? ??

? ?

?1???

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3、采用恒压源和输入回路串联电阻 4、采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等)

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霍尔元件不等位电势 U 0 的温度补偿

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七、霍尔传感器的应用 (一) 霍尔式位移传感器 ①霍尔元件处于中间位置位移 Δx=0时,由于B=0,所以UH=0
②霍尔元件右移, Δx>0,合成 磁感应强度B向上,B≠0, UH>0
③霍尔元件左移,Δx<0,合成 磁感应强度B向下,B≠0,UH<0。
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磁钢

N

S

IS

Nx

B
x 0

UH ? RH ? IB 若 dB ? const.

d

dx

则 dU H?R H?I?dB?K?const.

dx

ddx

UH=Kx?x 磁场梯度越大,灵敏度越高
磁场梯度越均匀,输出线性越好 测量范围:1 ~ 2 mm

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2、霍尔压力传感器

霍尔压力传感器结构原理

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
测量压力。

3、霍尔磁极检测器(图4.43)

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
判断磁场的方向,即确定磁铁磁极。

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第4章 磁敏传感器 4、转速测量
永磁体安装在轴端
?N

被测轴

S 霍尔元件

永磁体

永磁体安装在轴侧
? 被测轴

S
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N
永磁体
霍尔元件

VH
?
0
VH
0

2? 转角?
转角?
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5、测量电流 测量大直流电流(10kA), 霍尔元件测量电流原理:检测通电导线周围的磁场

(1)导线旁测法
简单、测量精度差、 受外界干扰大

IC VH

I

B

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(2)导线贯穿磁芯法

导磁铁芯

环形铁芯集中磁力线, 提高电流测量精度
(3)绕线法

I
通电导线

霍尔元件

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,

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6、霍尔开关按键 ? 由霍尔元件装配键体而成的开关电键。 ? 工作原理:
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 的相对位置来触发电信号的。 ? 特点:无触点按键开关

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八、霍尔集成传感器 (一)、霍尔开关集成传感器

霍尔效应

集成电路技术

开关信号

磁敏传感器
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(测转速、开关控制、判断N S极性),并以开关信号形式输 出,分为常开、常闭型两种。

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1.霍尔开关集成传感器的结构及工作原理

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 宽的电源电压范围内工作;开路输出可使传感器方 便地与各种逻辑电路接口。

1 VCC
稳压

霍尔元件

放大

输出

整形

3

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H

+

BT


地 2

霍尔开关集成传感器内部结构框图
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霍尔开关集成传感器的原理及工作过程:
? 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VH,该电压经放大器放大后,送至施密特
整形电路。
? 当放大后的VH电压大于“开启”阈值时,施密特整形电路
翻转,输出高电平,使半导体管V导通,且具有吸收电流的 负载能力,这种状态我们称它为开状态。
? 当磁场减弱时,霍尔元件输出的VH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 形器再次翻转,输出低电平,使半导体管V截止,这种状态 我们称它为关状态。

? 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。

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3020T

+12V R=2kΩ
1
3 2

输出 Vout

123 (a)外型

(b)应用电路

霍尔开关集成传感器的外型及应用电路

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2、工作特性
B?BOP 高?低,开状态 B?BRP 低?高,关状态
B O P —— 工作点“开” B R P —— 释放点“关”
B H —— 磁滞

VOU( T V)
12 10

ON

8
OFF 2
6

4

BRP BH BOP

2

B(T)

0

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注: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BOP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
BRP时,输出电平由低变高,传感器处于关状态。
霍耳开关集成传感器的技术参数: 工作电压 、磁感应强度、输出截止电
压、输出导通电流、工作温度、工作点。

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(二)线性霍尔集成电路(测位移、测振动)
输出电压在一定范围与磁感应强度B成线性关系。 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

1 Vcc 稳压

3 Vcc 稳压

VOUT 3

1 输出
675 8输出
R

地2
单端输出SL3501T
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地4
双端输出SL3501M
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输出电V压 OU(TV)
5.6 4.6 3.6 2.6 1.6
-0.3 -0.2 –0.1 0 0.1 0.2 0.3
磁感应强度B(T)
SL3501T 输出特性曲线

输出电V压 OU(TV)

2.5

2.0
R?0 R?15?
1.5

1.0

0.5

R?10?0

0

0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32
磁感应强度B(T)
SL3501M 输出特性曲线

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3.霍尔开关集成传感器的应用

(1)霍尔开关集成传感器的接口电路

Vcc

Vcc

RL

VAC

VAC

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Vcc
K

Vcc

VAC

K

Vcc
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VVAC RL

VAC Vcc
VOUT MOS

霍耳开关集成传感器的一般接口电路
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(2)用霍尔开关集成传感器控制电机的通断

SN

PST-525

4.7K 1.1K
D

VT

C

M

0.1μ

12V

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工作原理:
当永久磁铁靠近霍尔集成传感器PST-525 时,传感器输出端输出高电平,三极管 VT(PNP)截止,直流电机M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 出端输出低电平,VT导通,M得电运转。

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4.3 磁阻元件
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)磁阻效应
载流导体置于磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流 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 流路径变化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用 越强。外加磁场使导体(半导体)电阻随磁场增加而增大的现象 称磁阻效应

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第4章 磁敏传感器
磁阻效应方程:温度恒定、弱磁场、只有电子导电
?B??0(1?0.273?2B2)
式中,? B —— 磁感应强度为B时的电阻率
? 0 —— 零磁场下的电阻率 ? —— 电子迁移率
B —— 磁感应强度
电阻率变化 ????B??0
电阻率相对变化 ? ??0 ?0.273?2B2?k(?B)2
磁敏电阻:InSb、InAs

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第4章 磁敏传感器

形状效应:
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 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:
???k(?B)2[1?f(l/b)] ?0
f(l/b)为形状效应系数。

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第4章 磁敏传感器
(二) 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,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:

EH

? UH b

b
长方形样品
电阻变化很小
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b

扁条状长形
磁阻变化明显

圆盘样品
不产生霍尔电场

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第4章 磁敏传感器

? 长方形样品:霍尔电场作用FH,电阻变化很小。 ? 扁条状长形:霍尔电势EH很小电流磁场作用偏转厉害效应
明显。 ? 圆盘样品: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 会 ?为了消除霍尔电积场累影电响荷获也不会产生霍尔电场。 得大的磁阻效应,一般将磁 敏电阻制成圆形或扁条形, 并且长方形的满足 L/b <1

b

b

b

L 扁条形

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第4章 磁敏传感器 对长方形样品可采用下述措施:
在L>W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, B 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 提高了磁阻器件的灵敏度。

I

I

B L

W
(a)

(b)

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。

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第4章 磁敏传感器
(三) 磁阻元件的主要特性
1、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 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Ω.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。

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第4章 磁敏传感器
2 磁场—电阻特性

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

R/Ω

15

RB

R0

10 1000

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
强场下呈直线特性变化
温度(25℃)

5 500

B/T

0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3

S级

N级

(a) S、N级之间电阻特性

弱磁场下呈平方特性变化 B/T 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 (b)电阻变化率特性

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磁阻元件磁场—电阻特性 传感器原理及应用

第4章 磁敏传感器 强磁磁阻元件电阻-磁场特性曲线





磁饱和点



B=Bs



V

0

H

(b)磁场—输出特性
从图中可以看出它与磁阻元件曲线相反,即随着磁场的 增加,电阻值减少。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。

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第4章 磁敏传感器
3 电阻——温度特性

103 8

电 阻

4

变2 化102 率

%6

4

2

10

-40

0 20

60

100

温度/℃

半导体元件电阻-温度特性曲线

23.09.2019

从图中可以看出, 半导体磁阻元件的 温度特性不好。图 中的电阻值在35℃ 的变化范围内减小 了1/2。因此,在 应用时,一般都要 设计温度补偿电路。
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第4章 磁敏传感器

强磁磁阻元件的电阻——温度特性曲线:

电 130 阻 变 化 率 100
%

输出(恒压工作) -3500ppm/℃

电阻 +3500ppm/ ℃

图中分别给出了采用恒 流、恒压供电方式时的 温度特性。
? 采用恒流供电时,可 以获得–500ppm/℃的良 好温度特性,

输出(恒流工作)

50

-500ppm/℃

-30

0

60

BX10-4/T

强磁阻元件电阻-磁场特性曲线

? 而采用恒压供电时却 高达3500ppm/℃。
? 但是由于强磁磁阻元 件为开关方式工作,因 此常用恒压方式。

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第4章 磁敏传感器
(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 开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。可 用于开关电源、UPS、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 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、 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。

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第4章 磁敏传感器
4.4 磁敏二极管

1.磁敏二极管的结构与工作原理
(1)磁敏二极管的结构

N+区

电流

i区 p+区

r区
H+

+ (b)

H-

(a)
磁敏二极管的结构和电路符号

(a)结构;

(b)电路符号

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第4章 磁敏传感器
结构:在本征半导体的两端用合金法制成高掺杂 的P型和N型两个区域,并在本征区(i)区的一个 侧面上,设置粗糙的高复合区(r区),而与r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。
特点:磁敏二极管的PN结有很长的基区,大于载 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。

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第4章 磁敏传感器
(2)磁敏二极管的工作原理
当磁敏二极管的P区接电源正极,N区接电源负 极即外加正偏压时,随着磁敏二极管所受磁场的变 化,流过二极管的电流也在变化,也就是说二极管 等效电阻随着磁场的不同而不同。
为什么磁敏二极管会有这种特性呢?下面作一 下分析。

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第4章 磁敏传感器

磁场H=0:

少量电子和空穴在I区、 孔穴

r区复合,大部分P区空穴N区

电子形成电流。

(a)

P →→→ i

电子

←←←

N 电流

正向磁场H+:

复合区 H=0

电子和空穴由于洛仑兹

力作用偏向r区,并在r区很 (b) P

i

快复合,I区载流子减小,电

阻增大,电流减小,压降增

H+

N 电流

加。 反向磁场H- :

(c)

P

i

N 电流

电子和空穴偏向r区对面,

H-

复合减少,I区载流子增加, 电阻减小,电流增加,压降

磁敏二极管的工作原理示意图

减小。

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第4章 磁敏传感器
结论(磁敏二极管工作原理):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任何改变。

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第4章 磁敏传感器
2.磁敏二极管的主要特性 (1)伏安特性
在给定磁场 情况下,磁敏二 极管两端正向偏 压和通过它的电 流的关系曲线。


-0.2T -0.15T -0.1T
-0.05T 0

0.05T
0.1T 0.15T 0.2 T

磁敏二极管伏安特性曲线 (a)锗磁敏二极管

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? 硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式:

-0.3 -0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
磁敏二极管伏安特性曲线 (b)硅二极管

? 一种如图(b)所示, 开始在较大偏压范围内, 电流变化比较平坦,随 外加偏压的增加,电流 逐渐增加;此后,伏安 特性曲线上升很快,表 现出其动态电阻比较小。

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-0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
磁敏二极管伏安特性曲线 (c)硅二极管

? 另一种如图(c)所示。硅磁 敏二极管的伏安特性曲线上有 负阻现象,即电流急增的同时, 有偏压突然跌落的现象。
? 产生负阻现象的原因是高阻 硅的热平衡载流子较少,且注 入的载流子未填满复合中心之 前,不会产生较大的电流,当 填满复合中心之后,电流才开 始急增。

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第4章 磁敏传感器
(2)磁电特性
? 在给定条件下,磁敏二极管的输出电压变化量与 外加磁场间的变化关系,叫做磁敏二极管的磁电特 性。 ? 具有正反磁灵敏度,这是磁阻元件欠缺的。但正 向磁灵敏度大于反向磁灵敏度,需互补使用。

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第4章 磁敏传感器 磁敏二极管单个使用时的磁电特性曲线:

ΔU/V
2.0
1.6 1.2
0.8 0.4

-2.0 -1.0

-10.0.4 2.0 3.0 B / 0.1T -0.8 -1.2
-1.6 -2.0

特点: 单个使用时,正向磁灵敏 度大于反向磁灵敏度;

磁敏二极管的磁电特性曲线 (a)单个使用时

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第4章 磁敏传感器

磁敏二极管互补使用时的磁电特性曲线:

ΔU/V
2.0

1.6 1.2

0.8

0.4

B / 0.1T

-2.0 -1.0

-0.4 1.0 2.0
-0.8 -1.2 -1.6 -2.0

磁敏二极管的磁电特性曲线 (b)互补使用时

特点: 互补使用时,正向特性 曲线与反向特性曲线基 本对称。磁场强度增加 时,曲线有饱和趋势; 但在弱磁场下,曲线有 较好的线性。

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第4章 磁敏传感器
(3)温度特性 温度特性是指在标准测试条件下,输出电压
变化量 ?u(或无磁场作用时中点电压 u m )随
温度变化的规律,如下图所示:

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第4章 磁敏传感器
ΔU/V
1.0
ΔU
0.8 0.6 0.4
0.2

B = 0.1T
E=6V
I

I/mA
-5 -4 -3 -2 -1

-20 0 20 40 60 80

T/℃

磁敏二极管温度特性曲线 (单个使用时)

由图可见,磁敏二极管受温度的影响较大。

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第4章 磁敏传感器
(4)磁灵敏度

磁敏二极管的三种磁灵敏度:

(a)电压相对磁灵敏度(Su):

在恒流条件下,偏压随磁场的变化,即:

Su

?uB ?u0 u0

?100%

u0—磁场强度为零时,二极管两端的电压;
uB—磁场强度为B时,二极管两端的电压。

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(b)电流相对磁灵敏度(Si): 在恒压条件下,偏流随磁场的变化,即:

Si

? IB ?I0 I0

?100%

I0—磁场强度为零时,通过二极管的电流;
IB—磁场强度为B时,通过二极管的电流。

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第4章 磁敏传感器
(c) 按照标准测试,在给定电压源E和负载电 阻R的条件下,电压相对磁灵敏度和电流相对
磁灵敏度定义如下:

SRu

?uB ?u0 u0

?100%

SRI

? IB ?I0100% I0

特别注意:如果使用磁敏二极管时的情况和元件出 厂的测试条件不一致时,应重新测试其灵敏度。

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第4章 磁敏传感器
(5) 磁敏二极管的温度补偿技术: 由于磁敏二极管受温度的影响较大,在实际应
用中会带来很大的误差,为了提高测试精度,必 须进行补偿处理,补偿电路有:
互补式、半桥式、全桥式、热敏电阻式

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第4章 磁敏传感器
4.5 磁敏三极管
1.磁敏三极管的结构与原理
(1)磁敏三极管的结构
? NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上,用 合金法或扩散法形成三个极——即发射极、基极、 集电极所形成的半导体元件。 ? 在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合 区r。长基区分为输运基区和复合基区两部分。

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c c

H-

H+

N+

i

bb

N+

r

e a)

P+ e
b)

图2.6-33 NPN型磁敏三极管的结构和符号

a)结构

b)符号

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第4章 磁敏传感器
(2)磁敏三极管的工作原理

当不受磁场作用时,

由于磁敏三极管的基区宽

yc

输 运

N?





N?
e

复合基区

P?

I

b

x r

度大于载流子有效扩散长 度,因而注入的载流子除 少部分输入到集电极c外,
大 部 分 通 过 e—i—b 而 形
成基极电流。显而易见,

基极电流大于集电极电流。

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所以,电流放大系数
=Ic/?Ib<1。
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第4章 磁敏传感器

yc

输 运

N?





N?
e

yc

输 运

N?





N?
e

复合基区

H?

P? b

x r

复合基区

H?

P? b

x r

? 当受到H+磁场作用时,
由于洛仑兹力作用,载流子 向发射结一侧偏转,从而使 集电极电流明显下降。
? 当受H-磁场使用时,载
流子在洛仑兹力作用下,向 集电结一侧偏转,使集电极 电流增大。

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第4章 磁敏传感器
总结:
磁敏三极管与磁敏二极管的工作原理完全相 同,在正向或负向磁场作用下,会引起集电极电 流的减少或增加。因此,可用磁场方向控制集电 极电流的增加或减少,用磁场的强弱控制集电极 电流的变化量。

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第4章 磁敏传感器

2.磁敏三极管的主要特性

(1)伏安特性
IC /mA

磁敏三极管在基极恒流条件下
(Ib=I3C m/mAA)的集电极电流的变化;

/b=5mA

Ib=3mA B-=-0.1T

1.0

Ib=4mA

1.0

Ib=3mA B=0

0.8

Ib=3mA

0.8

Ib=3mA B+=0.1T

0.6

Ib=2mA

0.6

0.4

Ib=1mA

0.4

0.2

Ib=0mA

0.2

0

2 4 6 8 10 VCE/V 0

2 4 6 8 10 VCE/

图2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线

V

磁敏三极管不受磁场作用时磁 敏三极管的伏安特性曲线。
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第4章 磁敏传感器
(2)磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。
3BCM(NPN型)锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图所示:

ΔIc/mA

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
-3 -2 -1

123 4

5 B/0.1
T

由图可见, 在弱磁场作 用时,曲线 近似于一条 直线。

图2.6-36 3BCM磁敏三极管电磁特性
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第4章 磁敏传感器
(3)磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向
灵敏度 h? 和负向灵敏度 h? 两种。其定义如下:

h?

?IcB? ?Ic0 Ic0

?10% 0/0.1T

(2.6-32)

I cB ? —受正向磁场B+作用时的集电极电流; I cB ? —受反向磁场B-作用时的集电极电流;
I c 0 —不受磁场作用时,在给定基流情况下

的集电极输出电流。

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第4章 磁敏传感器

(4)温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。

IC/mA

1. 基极电源恒压

6 1.

Vb=5.7V

20.

B=-0.1T

8

0.4

B=0
B=0.1T T/℃

IC/mA

1. 基极恒流

6

Ib=2mA

1.

20.

B=-0.1T

8

0.

4

B=0.1T

B=0 T/℃

-20 0

20 40 60

(a)

-20 0

20

40 80

(b)

图2.6-37

3BCM磁敏三极管的温度特性

(a)基极电源恒压

(b)基极恒流

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第4章 磁敏传感器
温度系数有两种:一种是静态集电极电流Ic0的温
度系数;一种是磁灵敏度 h ? 的温度系数。

在使用温度t1~t2范围,Ic0的改变量与常温(比如 25℃)时的Ic0之比,即平均每度的相对变化量被定义为 Ic0的温度系数dI,即:

? ? dI

? ? ? Ic0 t2 ?Ic0(t1) ?100% Ic0 25C??t2?t1?

(2.6-30)

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第4章 磁敏传感器
同样,在使用温度t1~t2范围内,h ? 的改变量 与25℃时的 h ? 值之比,即平均每度的相对变化量 被定义为 h ? 的温度系数 d H :
dH?h?h(?2?5t2C ?? )?h ?? t2?? t1?t1??100%

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第4章 磁敏传感器
3 Si磁敏三极管温度补偿技术
1、利用正温度系数普通硅三极管进行补偿 2、利用磁敏三极管互补电路(PNP和NPN):输出
电压不随温度发生漂移 3、采用Ge磁敏二极管补偿电路: Ge磁敏二极管
作为负载补偿输出电压随温度的漂移 4、采用差分补偿电路:提高灵敏度

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第4章 磁敏传感器
4.6 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,
且能识别磁极性等优点,是一种新型半导体磁敏元件, 它有着广泛的应用前景。 ? 利用磁敏管可以作成磁场探测仪器—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10-7T左右的弱磁场。

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传感器原理及应用

第4章 磁敏传感器
? 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大小,既安全又省电, 因此是一种备受欢迎的电流表。 ? 此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达 每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。

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第4章 磁敏传感器 例:漏磁探伤仪

放大器 铁芯

显示 仪表
激励线圈

放大器 铁芯

显示 仪表
激励线圈

裂纹

磁敏二极 钢棒 管探头

磁敏二极 钢棒 管探头

钢棒:转动、磁化 无损伤部分:闭合磁路、无泄漏磁通,无输出信号 裂纹:泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号

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第4章 磁敏传感器

作业:

? P63:第三章(2) ? P97:第四章(1,2) ? 电路分析:
1、霍尔集成传感器控制LED的亮、灭 2、霍尔集成传感器控制卫生间照明灯

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