第6章 磁敏式傳感器原理與應(yīng)用

1、第第 6 章章 磁敏式傳感器原理與應(yīng)用磁敏式傳感器原理與應(yīng)用6.1 6.1 霍爾傳感器霍爾傳感器16.2 6.2 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器6.3 6.3 磁敏電阻器磁敏電阻器36.4 6.4 磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管426.5 6.5 磁敏式傳感器的應(yīng)用磁敏式傳感器的應(yīng)用51概述 磁敏式傳感器都是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴磁敏式傳感器都是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成。隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成。按其結(jié)構(gòu)可分為按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型體型和結(jié)型兩大類。兩大類。體型的有霍爾傳感器，其主要材料體型的有霍爾傳感器，其主要材料I

2、nSb(銻化銦銻化銦)、InAs（砷化銦）、（砷化銦）、Ge（鍺）、（鍺）、Si、GaAs等和磁敏電阻等和磁敏電阻InSb、InAs。結(jié)型的有磁敏二極管結(jié)型的有磁敏二極管Ge、Si，磁敏三極管，磁敏三極管Si應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。26.1 霍爾傳感器 6.1.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)3圖圖7-1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)UHbldIFLFEvB6.1.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)6.1 霍爾傳感器 4所以，霍爾電壓所以，霍爾電壓UH可表示為可表示為 UH = EH b = vBb (7-3)設(shè)霍爾元件為設(shè)霍爾元件為N型型半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流I時(shí)時(shí) FL

3、 = qvB (7-1)當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有 qEH=qvB故霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為故霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)度為 EH=vB （7-2）6.1 霍爾傳感器 5流過霍爾元件的電流為流過霍爾元件的電流為 I = dQ / dt = bdvnq得：得： v =I / nqbd (7-4) 所以：所以： UH = BI / nqd 若取若取 RH = 1 / nq 則則 dIBRUHHRH被定義為霍爾元件的被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由。顯然，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它

4、反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。 6.1 霍爾傳感器 6dRKHH 設(shè)設(shè)IBKUHH KH即為即為霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓?jiǎn)挝豢刂齐娏骱蛦挝淮鸥袘?yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小的大小. 單位是單位是V/（AT）nqdKH1 6.1 霍爾傳感器 7材料中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用材料中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷載流子遷移率移率來表征，即在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均來表征，即在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。即速度值。即IEv lUv IEbBlUvbBUH 所以所以而而lBU

5、bRbdlUdBRRUdBRdIBRUHHHHH 比較得比較得 HR 或或12)-(7 HR6.1 霍爾傳感器 8結(jié)論：結(jié)論： 如果是如果是P型半導(dǎo)體，其載流子是空穴，若空穴濃度型半導(dǎo)體，其載流子是空穴，若空穴濃度為為p，同理可得，同理可得pedIBUH 霍爾電壓霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。與材料的性質(zhì)有關(guān)。 霍爾電壓霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。與元件的尺寸有關(guān)。 HRdRKHH bBlUvbBUH 6.1 霍爾傳感器 9 霍爾電壓霍爾電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。6.1.2 霍爾元件的構(gòu)造及測(cè)量電路霍爾元件的構(gòu)造及測(cè)量電路 基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍

6、爾元件，基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖⌒桶雽?dǎo)體材料?；魻栐奖?d 越小越小)，kH 就越大?；魻栐苫魻柶?、四根引線就越大?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖所示。和殼體組成，如圖所示。6.1 霍爾傳感器 101、構(gòu)、構(gòu) 造造6.1 霍爾傳感器 11霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為一般為4mm2mm0.1mm)，它的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有，它的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用兩根引線，通常用紅色導(dǎo)線紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為，其焊接處稱為控制電極控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中點(diǎn)對(duì)稱

7、地焊有在它的另兩側(cè)端面的中點(diǎn)對(duì)稱地焊有c、d兩根霍爾輸兩根霍爾輸出引線，通常用出引線，通常用綠色導(dǎo)線綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為，其焊接處稱為霍爾電極霍爾電極。6.1 霍爾傳感器 122 、測(cè)量電路、測(cè)量電路W1W2UHUH（a）基本測(cè)量電路）基本測(cè)量電路WUHRLE（b）直流供電輸出方式（）直流供電輸出方式（c）交流供電輸出方式）交流供電輸出方式6.1 霍爾傳感器 136.1.3 霍爾元件的技術(shù)參數(shù)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)1、額定功耗、額定功耗P0在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度25時(shí)，允許通過霍爾元件的電流和電壓時(shí)，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。的乘積。2、輸入電阻、輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻RORi

8、是指控制電極之間的電阻值。是指控制電極之間的電阻值。R0指霍爾元件輸出電極間的電阻。指霍爾元件輸出電極間的電阻。Ri 、R0可以在無磁場(chǎng)時(shí)用歐姆表等測(cè)量?？梢栽跓o磁場(chǎng)時(shí)用歐姆表等測(cè)量。6.1 霍爾傳感器 144、霍爾溫度系數(shù)、霍爾溫度系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1時(shí)，時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率?；魻栯妱?shì)變化的百分率。tUUUHoHoHt/ )（即：即：)1 (tUUHoHt3、不平衡電勢(shì)、不平衡電勢(shì)U0在額定控制電流在額定控制電流I下，不加磁場(chǎng)時(shí)霍爾電極間的空載下，不加磁場(chǎng)時(shí)霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)?；魻栯妱?shì)。6.1 霍爾傳感器 155、內(nèi)

9、阻溫度系數(shù)、內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件在無磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化霍爾元件在無磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時(shí)，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。時(shí)，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。tRRRioioit/ ) （ )1(tRRioit 即：即：6、靈敏度、靈敏度)1(tRROoOt 或：或：dRKHH/ 減小減小d;選好的半導(dǎo)體材料選好的半導(dǎo)體材料6.1 霍爾傳感器 16霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)6.1 霍爾傳感器 176.1.4 霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償1、零位誤差及補(bǔ)償方法、零位誤差及補(bǔ)償方法圖圖7-4 不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)圖圖7-5 霍爾元件

10、的等效電路霍爾元件的等效電路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R46.1 霍爾傳感器 18幾種常用補(bǔ)償方法幾種常用補(bǔ)償方法BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B6.1 霍爾傳感器 192、溫度誤差及補(bǔ)償、溫度誤差及補(bǔ)償(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償利用輸入回路串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償（a）基本電路）基本電路 （b）等效電路）等效電路 EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)6.1 霍爾傳感器 20元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：則霍爾

11、電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：則霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：由圖由圖7-7可知：可知： tRRHtH 10 tRRiit 10 ittRREI ittHHHRREBdRBIdRU 6.1 霍爾傳感器 21對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式：對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式： 00200iiitiHHRRRRRRRBEdRdtdU RRRRRRRUiiitiH002200 0022000 iiitiiHRRRRRRRRREBdR 6.1 霍爾傳感器 22即即 ：由上式可看出，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使由上式可看出，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使 000 RRRii 0iRR當(dāng)元件的當(dāng)

12、元件的、及內(nèi)阻及內(nèi)阻Ri0確定后，溫度補(bǔ)償電阻確定后，溫度補(bǔ)償電阻R便可求便可求出。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)霍爾元件選定后，其出。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)霍爾元件選定后，其、值可以值可以從元件參數(shù)表中查出，而元件內(nèi)阻從元件參數(shù)表中查出，而元件內(nèi)阻Ri0則可由測(cè)量得到。則可由測(cè)量得到。6.1 霍爾傳感器 23（2）利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償）利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償 （a）基本電路）基本電路 （b）等效電路）等效電路 UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍爾元件的輸入采用霍爾元件的輸入采用恒流源恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。，使控制電流穩(wěn)定不變。即，可以即，可以不考慮輸入回路的溫度影響不考慮輸入回

13、路的溫度影響6.1 霍爾傳感器 24 在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢(shì)變?yōu)椋涸跍囟扔绊懴?，元件輸出電阻和電?shì)變?yōu)椋? 1( ) 1(00tUUtRRHHtOOt 此時(shí)，此時(shí)，RL上的電壓為上的電壓為負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為上電壓隨溫度變化最小的極值條件為0 dtdULt)2,yxyyxyx （ 0) 1) 100 tRRtROLO （ 0OLRR根據(jù)根據(jù)LLOHLtRRtRtUU ) 1() 1(00 6.1 霍爾傳感器 25當(dāng)當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時(shí)，輸出電阻多時(shí)，輸出電阻變化對(duì)霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只變化

14、對(duì)霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只考慮在考慮在輸入端輸入端進(jìn)行補(bǔ)償即可。進(jìn)行補(bǔ)償即可。若采用若采用恒流源恒流源，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。（3）利用恒流源進(jìn)行補(bǔ)償）利用恒流源進(jìn)行補(bǔ)償6.1 霍爾傳感器 26對(duì)于對(duì)于溫度系數(shù)大溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料常使用。的半導(dǎo)體材料常使用?；魻栞敵鲭S溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進(jìn)行補(bǔ)償。例如在輸入回路串入熱敏升高而上升，就能進(jìn)行補(bǔ)償。例如在輸入回路串入熱敏電

15、阻，當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，從而電阻，當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，從而使控制電流上升。使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償）利用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償（a）輸入回路補(bǔ)償）輸入回路補(bǔ)償RRt6.1 霍爾傳感器 27（b）輸出回路補(bǔ)償）輸出回路補(bǔ)償 或在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償。負(fù)載或在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償。負(fù)載RL上的霍爾電勢(shì)隨溫度上的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。阻值減小所補(bǔ)償。實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠實(shí)際使用時(shí)，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使近，使它們溫度變化一致。它們溫度變化一致。RRLRt6.1 霍爾傳感器 28（5） 利用

16、補(bǔ)償電橋進(jìn)行補(bǔ)償利用補(bǔ)償電橋進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電可以消除不等位電勢(shì)。勢(shì)。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。溫度變化時(shí)，熱敏電阻將隨阻。溫度變化時(shí)，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，電橋的輸出電溫度變化而變化，電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，仔細(xì)調(diào)節(jié)，即可補(bǔ)壓相應(yīng)變化，仔細(xì)調(diào)節(jié)，即可補(bǔ)償霍爾電勢(shì)的變化，使其輸出電償霍爾電勢(shì)的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關(guān)。壓與溫度基本無關(guān)。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt6.1 霍爾傳感器 29集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和集成霍爾傳感

17、器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器測(cè)量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三三位一體位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著。集成霍爾傳感器由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了地提高了可靠性可靠性。此外，它具有。此外，它具有體積小、重量輕、功體積小、重量輕、功耗低耗低等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。6.2 集成霍爾傳感器 306.2.1 開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后

18、輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。 霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)五部分組成。五部分組成。 6.2 集成霍爾傳感器 316.2.2 線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。系。 一般由一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓霍爾元件、差分放大、射

19、極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成。四部分組成?；魻柧€性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。6.2 集成霍爾傳感器 326.3.1 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象。當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)中，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)中，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方的平方成正比。成正比。如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的情況下，理論推導(dǎo)出來的磁阻效應(yīng)方程為：來的磁阻效應(yīng)方程為：)

20、273. 01220BB （6.3 磁敏電阻器 33電阻率的相對(duì)變化電阻率的相對(duì)變化22220273. 0BKB可以看出可以看出 ，在磁感應(yīng)強(qiáng)度，在磁感應(yīng)強(qiáng)度一定時(shí)，遷移率越高的材一定時(shí)，遷移率越高的材料（如料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越明顯。明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑從微觀上講，材料的電阻率增加是因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)路徑因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)所致。因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)所致。6.3 磁敏電阻器 346.3.2 磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁敏電阻的結(jié)構(gòu)磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的形狀有關(guān)。磁阻效應(yīng)除了與材料有關(guān)外，還與磁敏電阻的

21、形狀有關(guān)。在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長(zhǎng)度與寬度的比越在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長(zhǎng)度與寬度的比越小，電阻率的相對(duì)變化越大。小，電阻率的相對(duì)變化越大。6.3 磁敏電阻器 35長(zhǎng)方形磁阻器件只有在長(zhǎng)方形磁阻器件只有在lb的長(zhǎng)方形磁阻材料上面制的長(zhǎng)方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以條（即短路柵格），以短短路霍爾電勢(shì)路霍爾電勢(shì).圖圖7-13 長(zhǎng)方形磁阻器件長(zhǎng)方形磁阻器件BIBlIb6.3 磁敏電阻器 36圖圖7-14 圓盤形磁阻器件圓盤形磁阻器件(a) (b) B圓盤形的磁阻最大。故大多做成圓盤結(jié)構(gòu)。圓盤形的磁阻最大。故大多做成圓盤結(jié)構(gòu)。6.3 磁

22、敏電阻器 376.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1. 靈敏度特性靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即電阻變化率來表示，即磁場(chǎng)磁場(chǎng) 電阻變化率特性曲線的電阻變化率特性曲線的斜率。斜率。在運(yùn)算時(shí)常用在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，求得， R0表示無磁場(chǎng)情況下磁阻元表示無磁場(chǎng)情況下磁阻元件的電阻值，件的電阻值，RB為施加為施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件的電阻值。電阻值。 6.3 磁敏電阻器

23、38(b) 電阻變化率特性電阻變化率特性RB/R015105溫度溫度(25)弱磁場(chǎng)下呈平方特性變化弱磁場(chǎng)下呈平方特性變化強(qiáng)場(chǎng)下呈直線特強(qiáng)場(chǎng)下呈直線特性變化性變化00.20.40.60.81.01.21.4B/TS級(jí)級(jí)(a) S、N級(jí)之間電阻特性級(jí)之間電阻特性N級(jí)級(jí)0.3 0.20.1 0 0.10.20.3R/1000500B/T圖圖7-15 靈敏度特性靈敏度特性6.3 磁敏電阻器 392. 電阻電阻 溫度特性溫度特性半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在半導(dǎo)體磁阻元件的溫度特性不好。元件的電阻值在不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應(yīng)用不大的溫度變化范圍內(nèi)減小的很快。因此，在應(yīng)用時(shí)

24、，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。溫度（溫度（）020150504080100電阻（電阻（）100606.3 磁敏電阻器 40磁敏二極管的磁敏二極管的P型和型和N型電極由高阻材料制成型電極由高阻材料制成，在，在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)的之間有一個(gè)較長(zhǎng)的本征區(qū)本征區(qū)I。本征區(qū)。本征區(qū)I的一面磨成光的一面磨成光滑的滑的無復(fù)合表面無復(fù)合表面（I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)高復(fù)合區(qū)合區(qū)（r區(qū)），因?yàn)殡娮訁^(qū)），因?yàn)殡娮涌昭▽?duì)易于在粗糙表面復(fù)空穴對(duì)易于在粗糙表面復(fù)合而消失。合而消失。6.4.1 磁敏二極管的工作原理和主要特性磁敏二極管的工作原理和主要特性1. 磁

25、敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 41+ 圖圖7-17 磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖（a）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) （b）符號(hào)）符號(hào)P+N+I區(qū)區(qū)r區(qū)區(qū)6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 422. 磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 43當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)，外加正向偏壓當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)，外加正向偏壓后，則有大量的空穴從后，則有大量的空穴從P區(qū)通過區(qū)通過I區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入大量電子注入P區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在區(qū)，形成電流。只有少量電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。區(qū)復(fù)合掉

26、。P+N+I區(qū)區(qū)r面面6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 44當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場(chǎng)作用時(shí)，則電子和空當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場(chǎng)作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向穴受到洛侖茲力的作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于區(qū)偏轉(zhuǎn)，由于r區(qū)的電子區(qū)的電子和空穴復(fù)合速度比光滑面和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，因此，形成的電流因區(qū)快，因此，形成的電流因復(fù)合速度而減小。復(fù)合速度而減小。P+N+I區(qū)區(qū)r面面H+6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 45當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場(chǎng)作用時(shí)，電子和空穴當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場(chǎng)作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力的作用而向受到洛侖茲力的作用而向I區(qū)偏移，由于電子和空穴復(fù)區(qū)偏移，由

27、于電子和空穴復(fù)合率明顯變小，因此，電流變大。合率明顯變小，因此，電流變大。 P+N+I區(qū)區(qū)r面面H-6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 46利用磁敏二極管在磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化下，其電流發(fā)生變化，利用磁敏二極管在磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化下，其電流發(fā)生變化，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 （a） （b） （c）圖圖7-18 磁敏二極管工作原理示意圖磁敏二極管工作原理示意圖P+N+I區(qū)區(qū)r面面P+N+I區(qū)區(qū)r面面H+P+N+I區(qū)區(qū)r面面H-6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 47 3. 磁敏二極管的主要特性磁敏二極管的主要特性（1）磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管輸出的）磁電特性：在給定的條件下，磁敏二極管

28、輸出的電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系。（a）單只使用）單只使用 （b）互補(bǔ)使用）互補(bǔ)使用B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/VB / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/V6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 48（2）伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過其電流的關(guān)系）伏安特性：磁敏二極管正向偏壓和通過其電流的關(guān)系不同磁場(chǎng)強(qiáng)度不同磁場(chǎng)強(qiáng)度H作用下，磁敏二極管伏安特性不同作用下，磁敏二極管伏安特性不同例例:鍺磁敏二極管的伏安特性。

29、鍺磁敏二極管的伏安特性。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2 U(V)I(mA)6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 49硅磁敏二極管的伏安特性硅磁敏二極管的伏安特性(a)I（mA)312450 246 8 10 12U(V)4kG3kG2kG1kG0kG-1kG-2kG-3kG(b)3kGI（mA)312450 246 8 10 12U(V)4kG2kG0kG-1kG-2kG-3kG6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 50（3）溫度特性：在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化量）溫度特性：在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化量隨溫度的變化。隨溫度的變化。一般比較大。實(shí)際使用必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。硅管的使

30、一般比較大。實(shí)際使用必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。硅管的使用溫度是用溫度是-40C85C，鍺管是，鍺管是-4065C。T/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20-5-4-3-2-1IUI/mAU/V6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 51圖圖7-23 溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路ERm1Rm2R2R1U0Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0常用的補(bǔ)償電路常用的補(bǔ)償電路:6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 521. 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與工作原理在弱在弱P型或弱型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法

31、形成發(fā)射極、基極和集電極。基區(qū)較長(zhǎng)。基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏發(fā)射極、基極和集電極。基區(qū)較長(zhǎng)。基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合速率的二極管，有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征區(qū)和本征I區(qū)。長(zhǎng)基區(qū)分為輸區(qū)。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。6.4.2 磁敏三極管的工作原理和主要特性磁敏三極管的工作原理和主要特性(a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ( b)符號(hào)符號(hào)bcecN+eH-H+bIrN+P+6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 53當(dāng)磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流當(dāng)磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，形成基極

32、電流，少數(shù)載流子輸入少數(shù)載流子輸入到到c極。因而形成基極。因而形成基極電流大于集電極極電流大于集電極電流的情況，使電流的情況，使l。工作原理工作原理:N+N+eP+xIrbcy6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 54 當(dāng)受到正向磁場(chǎng)當(dāng)受到正向磁場(chǎng)(H+)作用時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，洛侖茲作用時(shí)，由于磁場(chǎng)的作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下力使載流子偏向發(fā)射結(jié)的一側(cè)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降，當(dāng)反向磁場(chǎng)降，當(dāng)反向磁場(chǎng)(H-)作用時(shí)，在作用時(shí)，在H-的作用下，載流子向的作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。N+N+eP+xrbycIN+

33、N+eP+xIrbcH-y6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 55圖圖7-25 磁敏三極管工作原理磁敏三極管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a） (b) (c)由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測(cè)極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極管來測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 56與普通晶體管的伏安特性曲線類似。由圖可知，磁敏三與普通晶體管的伏安特性曲線類似。

34、由圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于極管的電流放大倍數(shù)小于1。(1) 伏安特性伏安特性2. 磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主要特性Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-1kG1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=1kG(1)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)(2)磁場(chǎng)為磁場(chǎng)為 1kGs 基極為基極為3mA6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 57(2) 磁電特性磁電特性 磁敏三極管的磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，右圖為磁敏三極管的

35、磁電特性是應(yīng)用的基礎(chǔ)，右圖為國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)NPN型型3BCM(鍺鍺)磁敏三極管磁敏三極管的磁電特性，在的磁電特性，在弱磁場(chǎng)作用下，弱磁場(chǎng)作用下，曲線接近一條直線。曲線接近一條直線。-3 -2 -1 1 2 3 4 5B/0.1TIc/mA0.50.40.30.20.1 圖圖7-27 3BCM 磁敏三極管的磁電特性磁敏三極管的磁電特性 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 58(3) 溫度特性及其補(bǔ)償溫度特性及其補(bǔ)償 磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感，使用時(shí)必須進(jìn)行溫磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感，使用時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)于鍺磁敏三極管如度補(bǔ)償。對(duì)于鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁，其磁靈敏度的溫度系數(shù)為靈敏度的

36、溫度系數(shù)為0.8/0C；硅磁敏三極管；硅磁敏三極管(3CCM)磁靈敏度的溫度系數(shù)為磁靈敏度的溫度系數(shù)為-0.6/0C 。因此，實(shí)際使用時(shí)。因此，實(shí)際使用時(shí)必須對(duì)磁敏三極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。必須對(duì)磁敏三極管進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 59具體補(bǔ)償電路如圖所示。具體補(bǔ)償電路如圖所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)，V1管集管集電極電流電極電流IC增加導(dǎo)致增加導(dǎo)致Vm管的集電極電流也增管的集電極電流也增加，從而補(bǔ)償了加，從而補(bǔ)償了Vm管因管因溫度升高而導(dǎo)致溫度升高而導(dǎo)致IC 的下降。的下降。對(duì)于硅磁敏三極管因其具有負(fù)溫度系數(shù)，可用正溫度系對(duì)于硅磁敏三極管因其具有負(fù)溫度系數(shù)，可用正溫度系數(shù)

37、的數(shù)的普通硅三極管普通硅三極管來補(bǔ)償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的來補(bǔ)償因溫度而產(chǎn)生的集電極電流的漂移。漂移。ECR1AmAV1VmReR2補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路(a) 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 60利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其利用鍺磁敏二極管電流隨溫度升高而增加的特性，使其作為硅磁敏三極管的負(fù)載，從而當(dāng)溫度升高時(shí)，可補(bǔ)償作為硅磁敏三極管的負(fù)載，從而當(dāng)溫度升高時(shí)，可補(bǔ)償硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。硅磁敏三極管的負(fù)溫度漂移系數(shù)所引起的電流下降。WVmU0EC補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路( b) 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 61下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管

38、組下圖是采用兩只特性一致、磁極相反的磁敏三極管組成的差動(dòng)電路。這種電路既可以提高磁靈敏度，又能成的差動(dòng)電路。這種電路既可以提高磁靈敏度，又能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，它是一種行之有效的溫度補(bǔ)償電路。實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，它是一種行之有效的溫度補(bǔ)償電路。U0W1RLVm1Vm2ECW2RLRe補(bǔ)償電路補(bǔ)償電路 ( c)6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 62（4）頻率特性）頻率特性3BCM鍺磁敏三極管對(duì)于交變磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)特性為鍺磁敏三極管對(duì)于交變磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)特性為10kHz。 （5）磁靈敏度）磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度h+和負(fù)向靈敏度和負(fù)向靈敏度h-兩種。其定義如下：

39、兩種。其定義如下：T/%BIIIhCCCB10000 6.4 磁敏二極管和磁敏三級(jí)管 636.5.1 霍爾式傳感器的典型應(yīng)用霍爾式傳感器的典型應(yīng)用例例6-1 檢測(cè)磁場(chǎng)檢測(cè)磁場(chǎng)檢測(cè)磁場(chǎng)是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一。將霍爾器檢測(cè)磁場(chǎng)是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。度成線性正比的電壓。6.5 磁敏式傳感器的應(yīng)用 64例例6-2 霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器6.5 磁敏式傳感器的應(yīng)用

40、 65將霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半將霍爾元件置于磁場(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下，從部磁場(chǎng)方向向下，從 a端通入電流端通入電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，右半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c、d兩端電勢(shì)為兩端電勢(shì)為VH1VH2。如果。如果霍爾元件在初始位置時(shí)霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。電壓，其大小正比于位移量。6.5 磁敏式傳感器的應(yīng)用 66例例6-3 霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器 圖圖7-30 霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖霍爾元件霍爾元件磁鋼磁鋼壓力壓力P波登管波登管N SS N6.5 磁敏式傳感器的應(yīng)用 67例例6-4 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器霍爾轉(zhuǎn)速傳感器圖圖7-31 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸輸入軸輸入軸霍爾傳感器霍爾傳感器（a） （b） 6.5 磁敏式傳感器的應(yīng)用 68例例6