第6章磁電式傳感器2

1、2022-4-2912022-4-292學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的掌握霍爾傳感器的工作原理與特性，掌握霍爾傳感器的工作原理與特性， 熟悉霍爾傳感器件熟悉霍爾傳感器件了解磁敏電阻、磁敏二極管等磁敏元了解磁敏電阻、磁敏二極管等磁敏元 件的工作原理和特性件的工作原理和特性2022-4-2936.1 概述概述6.2 霍爾式傳感器的工作原理與特性霍爾式傳感器的工作原理與特性6.3 磁敏傳感器磁敏傳感器 6.4 磁電式傳感器的應(yīng)用磁電式傳感器的應(yīng)用 本章小結(jié)本章小結(jié)復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題主要內(nèi)容返回主目錄返回主目錄2022-4-2946.1 概述 磁電感應(yīng)式傳感器是通過磁電感應(yīng)式傳感器是通過磁電轉(zhuǎn)換磁電轉(zhuǎn)換將被測非電

2、量（如振動、位移、速度將被測非電量（如振動、位移、速度等）轉(zhuǎn)換成等）轉(zhuǎn)換成電信號電信號的一種傳感器。的一種傳感器。 18201820年年奧斯特首次通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。奧斯特首次通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。18311831年英國物理學(xué)家法年英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在切割磁通的電路里，產(chǎn)拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在切割磁通的電路里，產(chǎn)生與磁通變化速率成正比的感應(yīng)電動勢。最簡單的把磁信號轉(zhuǎn)換為電信生與磁通變化速率成正比的感應(yīng)電動勢。最簡單的把磁信號轉(zhuǎn)換為電信號的磁電傳感器就是號的磁電傳感器就是線圈線圈。隨著科技發(fā)展，現(xiàn)代磁電傳感器已向固體化。隨著科技發(fā)

3、展，現(xiàn)代磁電傳感器已向固體化發(fā)展，它是利用磁場作用在被測物上，使物質(zhì)的電性能發(fā)生變化的物理發(fā)展，它是利用磁場作用在被測物上，使物質(zhì)的電性能發(fā)生變化的物理效應(yīng)制成的，從而使磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號。效應(yīng)制成的，從而使磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號。 磁電式傳感器的種類較多，不同材料制作的磁傳感器其工作原理和特性磁電式傳感器的種類較多，不同材料制作的磁傳感器其工作原理和特性也不相同。本章主要介紹也不相同。本章主要介紹霍爾傳感器以及磁阻元件、磁敏二極管、磁敏霍爾傳感器以及磁阻元件、磁敏二極管、磁敏晶體管晶體管等常用半導(dǎo)體磁傳感器的原理、特性和應(yīng)用。等常用半導(dǎo)體磁傳感器的原理、特性和應(yīng)用。2022-4-295 18

4、79 1879 年，美國物理學(xué)家年，美國物理學(xué)家霍爾霍爾經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果讓恒定電流通過如果讓恒定電流通過金屬薄片，并將薄片置于強(qiáng)磁場中，在金屬薄片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生與磁金屬薄片，并將薄片置于強(qiáng)磁場中，在金屬薄片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生與磁場強(qiáng)度成正比的電動勢場強(qiáng)度成正比的電動勢。這個(gè)現(xiàn)象后來被人們稱為。這個(gè)現(xiàn)象后來被人們稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。但是由于。但是由于這種效應(yīng)在這種效應(yīng)在金屬中非常微弱金屬中非常微弱，當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視。，當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的重視。1948 1948 年以后，年以后，由于半導(dǎo)體技術(shù)迅速發(fā)展，人們找到了霍爾效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體材料，由于半導(dǎo)體技術(shù)迅

5、速發(fā)展，人們找到了霍爾效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體材料，并制成了并制成了砷化稼、銻化銦、硅、鍺砷化稼、銻化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。等材料的霍爾元件。 用霍爾元件做成的傳感器稱為用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器霍爾傳感器?；魻杺鞲衅骺梢宰龅煤苄?。霍爾傳感器可以做得很?。◣讉€(gè)平方毫米），可以用于測量地球磁場，制成電羅盤；將它卡在環(huán)（幾個(gè)平方毫米），可以用于測量地球磁場，制成電羅盤；將它卡在環(huán)形鐵心中，可以制成大電流傳感器。它還廣泛用于無刷電動機(jī)、高斯計(jì)、形鐵心中，可以制成大電流傳感器。它還廣泛用于無刷電動機(jī)、高斯計(jì)、接近開關(guān)、微位移測量等。它的最大特點(diǎn)是非接觸測量。其它類型的磁接近開關(guān)、微位移測量

6、等。它的最大特點(diǎn)是非接觸測量。其它類型的磁電感應(yīng)式傳感器很多，常用的有磁敏電阻與磁敏傳感器等。磁敏電阻一電感應(yīng)式傳感器很多，常用的有磁敏電阻與磁敏傳感器等。磁敏電阻一般用于磁場強(qiáng)度、漏磁、制磁的檢測或在交流變換器、頻率變換器、功般用于磁場強(qiáng)度、漏磁、制磁的檢測或在交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、移位電壓變換器等電路中作控制元件，還可用于接近開率電壓變換器、移位電壓變換器等電路中作控制元件，還可用于接近開關(guān)、磁卡文字識別、磁電編碼器、電動機(jī)測速等方面或制作磁敏傳感器關(guān)、磁卡文字識別、磁電編碼器、電動機(jī)測速等方面或制作磁敏傳感器用。用。 磁敏二極管和磁敏晶體管多用于檢測弱磁磁場，無觸點(diǎn)開關(guān)

7、，位移磁敏二極管和磁敏晶體管多用于檢測弱磁磁場，無觸點(diǎn)開關(guān)，位移測量，轉(zhuǎn)速測量等。測量，轉(zhuǎn)速測量等。返回本章目錄返回本章目錄2022-4-2966.2 霍爾傳感器的工作原理與特性6.2.1 6.2.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和在置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體內(nèi)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個(gè)電動勢差，這種現(xiàn)象稱為電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個(gè)電動勢差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。利用霍爾。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。所產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電勢。效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。所產(chǎn)生的電動勢稱為霍

8、爾電勢。 如圖如圖6-16-1所示，在長、寬、高分別為所示，在長、寬、高分別為L L 、 W W 、 H H的半導(dǎo)體薄片的相對兩側(cè)的半導(dǎo)體薄片的相對兩側(cè)a a、b b通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場通以控制電流，在薄片垂直方向加以磁場B B。設(shè)圖中的材料是。設(shè)圖中的材料是N N型半導(dǎo)體，導(dǎo)電型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是的載流子是電子電子。在圖示方向磁場的作用下，電子將受到一個(gè)由。在圖示方向磁場的作用下，電子將受到一個(gè)由c c側(cè)指向側(cè)指向d d側(cè)方側(cè)方向力的作用，這個(gè)力就是向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力洛侖茲力。洛侖茲力用表示，大小為：。洛侖茲力用表示，大小為： LFq Bv電子電荷量電子電荷量

9、載流子的載流子的運(yùn)動速度運(yùn)動速度磁感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度圖圖6-16-12022-4-297 在洛侖茲力的作用下，電子向在洛侖茲力的作用下，電子向d d側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累負(fù)電荷的積累，c c側(cè)則形成側(cè)則形成正電荷的積累正電荷的積累。這樣，。這樣，c c、d d兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場 , ,稱為稱為霍霍爾電場爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場力（累。當(dāng)電場力（ ）與洛侖茲力大小相等時(shí)，達(dá)到動態(tài)平衡。這時(shí)有）與洛侖茲力大小相等

10、時(shí)，達(dá)到動態(tài)平衡。這時(shí)有 圖圖6-1 6-1 霍爾效應(yīng)與霍爾元件霍爾效應(yīng)與霍爾元件HEHHFqEHqEq B所以霍爾電場的強(qiáng)度為所以霍爾電場的強(qiáng)度為HEB（6-2）在在c c與與d d兩側(cè)面間建立的電動兩側(cè)面間建立的電動勢差稱為霍爾電勢，用表示勢差稱為霍爾電勢，用表示HUHHHUE WUBW或當(dāng)材料中的電子濃度為當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)時(shí)（6-3）/()InqHW1HIUBWBWIBnqHWnqH2022-4-298 設(shè)設(shè) -霍爾系數(shù)，得霍爾系數(shù)，得 設(shè)設(shè) -霍爾靈敏度，則霍爾靈敏度，則1HIUBWBWIBnqHWnqH1HRnq（6-5）HHRKHHHHRUIBK IBH反映材料霍爾效反映材

11、料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，是由應(yīng)的強(qiáng)弱，是由材料性質(zhì)所決定材料性質(zhì)所決定的一個(gè)常數(shù)大小的一個(gè)常數(shù)大小 霍爾靈敏度，它表霍爾靈敏度，它表示霍爾元件在單位示霍爾元件在單位控制電流和單位磁控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電勢的大小霍爾電勢的大小 HHRUIBH（6-6）2022-4-299霍耳電勢與材料的關(guān)系通過以上分析，可以看出通過以上分析，可以看出 霍耳電壓霍耳電壓U UH H大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。一般來說，金屬材料大小與材料的性質(zhì)有關(guān)。一般來說，金屬材料n n較大，導(dǎo)致較大，導(dǎo)致R RH H和和K KH H變小，變小，故不宜做霍耳元件?；舳话悴捎霉什灰俗龌舳；舳话?/p>

12、采用N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體材料。材料。 R RH H=1/nq=1/nq 霍耳電壓霍耳電壓U UH H與元件的尺寸關(guān)系很大，生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：與元件的尺寸關(guān)系很大，生產(chǎn)元件時(shí)要考慮到以下幾點(diǎn)：1 1）根據(jù)式）根據(jù)式 ，H H愈小，愈小，K KH H愈大，霍耳靈敏度愈高，所以霍耳元件的厚愈大，霍耳靈敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比較薄。但度都比較薄。但H H太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加，因此，也不宜太薄。太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加，因此，也不宜太薄。2）元件的長寬比對元件的長寬比對U UH H也有影響。也有影響。L/WL/W加大時(shí)，控制電極對霍耳電壓影響減小。但如加大時(shí)，

13、控制電極對霍耳電壓影響減小。但如果果L/WL/W過大，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大，使過大，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大，使U UH H下降，通常要對式（下降，通常要對式（6-66-6）加以形狀效應(yīng)修正：加以形狀效應(yīng)修正： (6-7(6-7） 式（式（6-76-7）中，）中， 為形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如下表所示。為形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如下表所示。通常取通常取HHHRUIBK IBH/2L W )/(WLf( /)HHUK IBf L W2022-4-2910霍耳電勢與材料的關(guān)系3 3） 霍耳電壓霍耳電壓U UH H與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式 U UH

14、 H正比于正比于I I及及B B。當(dāng)控制電流恒定時(shí)，。當(dāng)控制電流恒定時(shí)，B B愈大，愈大，U UH H愈大。愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，當(dāng)磁場改變方向時(shí)，U UH H也改變方向。同樣，當(dāng)霍耳也改變方向。同樣，當(dāng)霍耳靈敏度靈敏度K KH H及磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度B B恒定時(shí)，增加控制恒定時(shí)，增加控制I,I,也可以也可以提高霍耳電壓的輸出。但提高霍耳電壓的輸出。但電流不宜過大電流不宜過大，否則，否則，會會燒壞霍耳元件燒壞霍耳元件。HHHRUIBK IBH2022-4-29116.2.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù) 霍爾元件是一種霍爾元件是一種四端型器件四端型器件，如圖，如圖6-26-2所示，它由霍爾片

15、、所示，它由霍爾片、4 4根引線和根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，尺寸一般為殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，尺寸一般為4mm4mm 2mm2mm 0.1 mm 0.1 mm。通常為紅色的兩個(gè)引線。通常為紅色的兩個(gè)引線A A、B B 為控制電流，為控制電流， C C、D D 兩個(gè)兩個(gè)綠色引線為霍爾電勢輸出線。綠色引線為霍爾電勢輸出線。圖圖6-2 6-2 霍爾元件霍爾元件2022-4-2912主要特征參數(shù)主要特征參數(shù)（1 1）額定控制電流）額定控制電流I I ：使霍爾片溫升：使霍爾片溫升1010所施加的控制電流值。所施加的控制電流值。（2 2）輸入電阻）輸入電阻 ：指控

16、制電極間的電阻值。：指控制電極間的電阻值。（3 3）輸出電阻）輸出電阻 ：指霍爾電勢輸出極之間的電阻值。：指霍爾電勢輸出極之間的電阻值。（4 4）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度）最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 ：磁感應(yīng)強(qiáng)度超過：磁感應(yīng)強(qiáng)度超過 時(shí)，霍爾電勢的非時(shí)，霍爾電勢的非線性誤差明顯增大，數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。線性誤差明顯增大，數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。iRORmBmB2022-4-2913（5 5）不等位電勢不等位電勢：在額定控制電流下，：在額定控制電流下，當(dāng)外加磁場為零時(shí)，霍爾輸出端之當(dāng)外加磁場為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢。它間的開路電壓稱為不等位電勢。它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對稱是由于四個(gè)

17、電極的幾何尺寸不對稱引起的，如圖引起的，如圖6-36-3所示。使用時(shí)多所示。使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢引起采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢引起的誤差。的誤差。圖圖6-3 6-3 霍爾元件的不等位電勢霍爾元件的不等位電勢（6 6）霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù)：在磁感應(yīng)：在磁感應(yīng)強(qiáng)度及控制電流一定清況下，溫度強(qiáng)度及控制電流一定清況下，溫度變化變化l l 相應(yīng)霍爾電勢變化的百分相應(yīng)霍爾電勢變化的百分?jǐn)?shù)。它與霍爾元件的材料有關(guān)，一數(shù)。它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般為般為0.10.1/左右。在要求較高場左右。在要求較高場合，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。合，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。2022-4-29146

18、.2.3 集成霍爾傳感器將霍爾敏感元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等集成于一個(gè)芯片上構(gòu)成霍爾集成將霍爾敏感元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源等集成于一個(gè)芯片上構(gòu)成霍爾集成傳感器。有些霍爾傳感器的外形與傳感器。有些霍爾傳感器的外形與DIP DIP 封裝的集成電路相同，故也稱集成霍爾傳感器。封裝的集成電路相同，故也稱集成霍爾傳感器。類型：分為類型：分為線性型霍爾傳感器線性型霍爾傳感器和和開關(guān)型霍爾傳感器開關(guān)型霍爾傳感器。1 1、霍爾線性集成傳感器、霍爾線性集成傳感器這種線性型傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，廣泛用于位置、這種線性型傳感器的輸出電壓與外加磁場強(qiáng)度在一定范圍

19、內(nèi)呈線性關(guān)系，廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量、控制。這種傳感器有單端輸出和雙端輸力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量、控制。這種傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路，如圖出（差動輸出）兩種電路，如圖6-4 6-4 所示。所示。圖圖6-4 6-4 線形霍爾集成傳感器結(jié)構(gòu)線形霍爾集成傳感器結(jié)構(gòu)2022-4-29152. 開關(guān)型霍爾集成傳感器開關(guān)型霍爾集成傳感器由霍爾元件、放大開關(guān)型霍爾集成傳感器由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和開關(guān)輸出等部分組器、施密特整形電路和開關(guān)輸出等部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6-56-5所示。當(dāng)有所示。當(dāng)有磁場

20、作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時(shí)，根磁場作用在霍爾開關(guān)集成傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電勢，據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電勢，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的霍爾電勢大于電路。當(dāng)放大后的霍爾電勢大于“開啟開啟” ” 閾值時(shí)，施密特閾值時(shí)，施密特電路翻轉(zhuǎn)電路翻轉(zhuǎn)，輸出，輸出高電平高電平，使晶體管使晶體管導(dǎo)通導(dǎo)通，整個(gè)電路處于開狀態(tài)。當(dāng)，整個(gè)電路處于開狀態(tài)。當(dāng)磁場減弱時(shí)，霍爾元件輸出的電壓很小，磁場減弱時(shí)，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值仍經(jīng)放大器放大后其值仍小于施密特的小于施密特的“關(guān)關(guān)閉閉”閾值時(shí)閾值時(shí)，施密特

21、整形器又翻轉(zhuǎn)，輸出，施密特整形器又翻轉(zhuǎn)，輸出低電平低電平，使，使晶體管截止晶體管截止，電路處于，電路處于關(guān)狀態(tài)關(guān)狀態(tài)。這樣，一次磁場強(qiáng)度的變化，就使傳感器這樣，一次磁場強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成一次開關(guān)動作。完成一次開關(guān)動作。圖圖6-5 6-5 霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖部結(jié)構(gòu)框圖2022-4-29162022-4-2917 霍耳元件其他符號及代號霍耳元件其他符號及代號國產(chǎn)器件常用H代表霍耳元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號。如HZ-1元件，說明是用鍺材料制成的霍耳元件；HT-1元件，說明是用銻化銦（InSb）材料制成的元件。 II返回本章目錄返回本章目

22、錄2022-4-29186.3 磁敏傳感器6.3.1 6.3.1 磁敏電阻磁敏電阻1. 1. 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，除磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其電阻也會隨磁場變化電阻也會隨磁場變化，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)。 在沒有外加磁場時(shí)，磁阻元件的電流密度矢量，如圖在沒有外加磁場時(shí)，磁阻元件的電流密度矢量，如圖6-8a6-8a所示。當(dāng)磁場垂直作用所示。當(dāng)磁場垂直作用在磁阻元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場方向某個(gè)霍爾在磁阻

23、元件表面上時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，使得電流密度矢量偏移電場方向某個(gè)霍爾角角 ，如圖，如圖6-8b6-8b所示。這使電流流通的所示。這使電流流通的途徑變長途徑變長，導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的，導(dǎo)致元件兩端金屬電極間的電阻值增大。電極間的距離越長，電阻的增長比例就越大，所以在磁阻元件的結(jié)電阻值增大。電極間的距離越長，電阻的增長比例就越大，所以在磁阻元件的結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金屬電極和金屬邊界。構(gòu)中，大多數(shù)是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金屬電極和金屬邊界。圖圖6-8 6-8 磁阻元件工作原理示意圖磁阻元件工作原理示意圖2022-4-2919磁阻效應(yīng)的表達(dá)式磁阻效應(yīng)的表

24、達(dá)式 當(dāng)溫度恒定，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。當(dāng)溫度恒定，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為式為)273. 01 (220BB磁感應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度電子遷電子遷移率移率磁感應(yīng)強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為度為B時(shí)的時(shí)的電阻率電阻率（6-8） 設(shè)電阻率的變化為設(shè)電阻率的變化為0B則電阻率的相對變化為則電阻率的相對變化為 2220/0.273()BkB （6-9） 由上式可知，磁場一定，由上式可知，磁場一定，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSbI

25、nSb（銻化銦）和和InAsInAs（砷化銦）砷化銦）等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，更適合等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，更適合于制作磁敏電阻于制作磁敏電阻。2022-4-29202. 磁敏電阻的形狀 磁阻效應(yīng)除與材料有關(guān)外，還與磁阻器件的幾何形狀及尺寸密切相關(guān)磁阻效應(yīng)除與材料有關(guān)外，還與磁阻器件的幾何形狀及尺寸密切相關(guān) 在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長與寬的比越小，電阻率的相對變在恒定磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁敏電阻的長與寬的比越小，電阻率的相對變化越大?？紤]到形狀影響時(shí)，電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移化越大?？紤]到形狀影響時(shí)，電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可用下式近似表示率的關(guān)系可用下

26、式近似表示 （6-106-10） 式中式中 形狀效應(yīng)系數(shù)，形狀效應(yīng)系數(shù)，L L, ,b b分別為磁阻器件的長度和寬度。分別為磁阻器件的長度和寬度。 除長方形磁阻器件外，還有圓盤形磁阻器件，其中心和邊緣各有一個(gè)除長方形磁阻器件外，還有圓盤形磁阻器件，其中心和邊緣各有一個(gè)電極，如圖電極，如圖6-9 6-9 所示。這種圓盤形磁阻器件稱為所示。這種圓盤形磁阻器件稱為科爾比諾圓盤科爾比諾圓盤。這時(shí)。這時(shí)的效應(yīng)稱的效應(yīng)稱科爾比諾效應(yīng)科爾比諾效應(yīng)。因?yàn)閳A盤的磁阻最大，故大多磁阻器件做成。因?yàn)閳A盤的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圓盤結(jié)構(gòu)。圓盤結(jié)構(gòu)。)/(1 )(/20blfBk)/(blf圖圖6-9 6-9 磁

27、敏電阻的形狀磁敏電阻的形狀2022-4-2921磁阻元件2022-4-29223. 磁敏電阻的基本特性(1)B-R(1)B-R特性。它由特性。它由無磁場時(shí)的電無磁場時(shí)的電阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度阻和磁感應(yīng)強(qiáng)度B B時(shí)的電阻時(shí)的電阻來來表示。隨元件形狀不同而異，表示。隨元件形狀不同而異，約為數(shù)十歐至數(shù)千歐，隨磁約為數(shù)十歐至數(shù)千歐，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化而變化。圖感應(yīng)強(qiáng)度變化而變化。圖6-6-1010為磁敏電阻的特性曲線。為磁敏電阻的特性曲線。在在0.1T0.1T以下的弱磁場中，曲以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T0.1T后呈現(xiàn)線性變化。后呈現(xiàn)線性變化。圖圖6-10 6-10

28、磁敏電阻的磁敏電阻的B-RB-R特性特性2022-4-2923（2 2）靈敏度）靈敏度K K 磁敏電阻的靈敏度可由下式表示：磁敏電阻的靈敏度可由下式表示： （6-116-11）式中式中 磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.3T0.3T時(shí)的值；時(shí)的值； 無磁場時(shí)的電阻值。無磁場時(shí)的電阻值。一般情況下，磁敏電阻的靈敏度一般情況下，磁敏電阻的靈敏度K2.7K2.7。（3 3）溫度系數(shù)）溫度系數(shù) 磁敏電阻的溫度系數(shù)約為磁敏電阻的溫度系數(shù)約為-2-2/，這個(gè)值較大。，這個(gè)值較大。為補(bǔ)償磁敏電阻的溫度特性，可采用兩個(gè)元件串聯(lián)成對使用，為補(bǔ)償磁敏電阻的溫度特性，可采用兩個(gè)元件串聯(lián)成對使用，用差動方式工作。用差動方式

29、工作。30KRR3R0R2022-4-29246.3.2 6.3.2 磁敏二極管磁敏二極管 磁敏二極管是一種磁電轉(zhuǎn)換的元件，可以將 磁信息轉(zhuǎn)換成電信號.特點(diǎn)：具有體積小、靈敏度高、響應(yīng)快、無 觸點(diǎn)、輸出功率大及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。應(yīng)用：它可廣泛應(yīng)用于磁場的檢測、磁力探 傷、轉(zhuǎn)速測量、位移測量、電流測量、無觸 點(diǎn)開關(guān)和無刷直電流電機(jī)等許多領(lǐng)域。 2022-4-29251. 磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 磁敏二極管是磁敏二極管是PNPN 結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件，有硅磁敏二極管和鍺磁敏二極管兩種，結(jié)型的磁電轉(zhuǎn)換元件，有硅磁敏二極管和鍺磁敏二極管兩種，結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖6-116-11所示。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制

30、成高摻雜的所示。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P P型和型和N N型兩型兩個(gè)區(qū)域，在個(gè)區(qū)域，在P P、N N 之間有一個(gè)較長的之間有一個(gè)較長的本征區(qū)本征區(qū)I I ，本征區(qū)，本征區(qū)I I 的一面磨成光滑的復(fù)合的一面磨成光滑的復(fù)合表面（為表面（為I I 區(qū)），另一面打毛，成為區(qū)），另一面打毛，成為高復(fù)合區(qū)高復(fù)合區(qū)（r r 區(qū)），因?yàn)殡娮訁^(qū)），因?yàn)殡娮? -空穴對易于空穴對易于在在粗糙表面復(fù)合而消失粗糙表面復(fù)合而消失。當(dāng)通以正向電流后就會在。當(dāng)通以正向電流后就會在P P、I I、N N 結(jié)之間形成電流。由結(jié)之間形成電流。由此可知，此可知，磁敏二極管是磁敏二極管是PIN PIN 型型的。的

31、。與普通二極管區(qū)別：普通二極管與普通二極管區(qū)別：普通二極管PNPN結(jié)的基區(qū)結(jié)的基區(qū)很短很短，以避免載流子在基，以避免載流子在基區(qū)復(fù)合，磁敏二極管的區(qū)復(fù)合，磁敏二極管的PNPN結(jié)卻有結(jié)卻有很長的基區(qū)很長的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長度，大于載流子的擴(kuò)散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成。但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成。圖圖 6-11 6-11 磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖磁敏二極管結(jié)構(gòu)示意圖c) 外形外形2022-4-29262. 工作原理 磁敏二極管在磁敏二極管在磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度的變化下，其的變化下，其電流電流發(fā)生變化，發(fā)生變化，于是就實(shí)現(xiàn)于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換磁電轉(zhuǎn)換。且。且I I區(qū)和區(qū)和

32、r r區(qū)的復(fù)合能力之差越區(qū)的復(fù)合能力之差越大，磁敏二極管的靈敏度就越高。大，磁敏二極管的靈敏度就越高。 圖圖6-12 6-12 磁敏二極管工作原理示意圖磁敏二極管工作原理示意圖2022-4-29273. 磁敏二極管的主要特性（1 1）磁電特性磁電特性：在給定條件下，磁敏二極管：在給定條件下，磁敏二極管的的輸出電壓輸出電壓變化量與變化量與外加磁場外加磁場間的變化關(guān)系。間的變化關(guān)系。圖圖6-136-13給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用給出磁敏二極管單個(gè)使用和互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線。時(shí)的磁電特性曲線。圖圖6-13 6-13 磁敏二極管磁電特性曲線磁敏二極管磁電特性曲線正向磁靈正向磁靈敏度大于敏度大

33、于反向反向互補(bǔ)使用時(shí)，正、互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲反向磁靈敏度曲線對稱，且在弱線對稱，且在弱磁場下有較好的磁場下有較好的線性線性2022-4-2928（2）伏安特性 在給定磁場情況下，在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端磁敏二極管兩端正向正向偏壓偏壓和和通過它的電流通過它的電流的關(guān)系曲線。如圖的關(guān)系曲線。如圖6-6-1414所示。不同種類的所示。不同種類的磁敏二極管伏安特性磁敏二極管伏安特性也不同。也不同。圖圖6-14 6-14 磁敏二極管伏安特性曲線磁敏二極管伏安特性曲線2022-4-2929（3）溫度特性 一般情況下，磁敏二極管受溫度的影響一般情況下，磁敏二極管受溫度的影響較大。反映磁敏

34、二極管的溫度特性好壞，較大。反映磁敏二極管的溫度特性好壞，也可用溫度系數(shù)來表示。硅磁敏二極管也可用溫度系數(shù)來表示。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下 的溫度系數(shù)小于的溫度系數(shù)小于20mV20mV， 的溫度系數(shù)小于的溫度系數(shù)小于0.6%/0.6%/。而鍺磁敏二極管。而鍺磁敏二極管 的溫度的溫度系數(shù)小于系數(shù)小于-60mV-60mV， 的溫度系數(shù)小的溫度系數(shù)小于于1.5%/1.5%/。所以，規(guī)定硅管的使用溫。所以，規(guī)定硅管的使用溫度為度為-40-408585，而鍺管則現(xiàn)定為，而鍺管則現(xiàn)定為- -40406565。 指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出電壓變化量輸出電壓變化量（或無磁

35、場作用時(shí)輸出電壓）隨（或無磁場作用時(shí)輸出電壓）隨溫度變化溫度變化的規(guī)律，如圖的規(guī)律，如圖6-156-15所示。所示。圖圖6-15 6-15 磁敏二極管溫度特性磁敏二極管溫度特性0uu0uu2022-4-2930（ 4）頻率特性 硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間，幾乎硅磁敏二極管的響應(yīng)時(shí)間，幾乎等于注入載流子漂移過程中被復(fù)等于注入載流子漂移過程中被復(fù)合并達(dá)到動態(tài)平衡的時(shí)間合并達(dá)到動態(tài)平衡的時(shí)間。所以，頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效。所以，頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于 ，即響應(yīng)頻率高達(dá)，即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz1MHz。鍺。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于磁敏二極管

36、的響應(yīng)頻率小于10kHz,10kHz,如圖如圖6-166-16所示。所示。1 S圖圖6-16 6-16 鍺磁敏二極管頻率特性鍺磁敏二極管頻率特性2022-4-29316.3.3 磁敏晶體管 1. 磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)和符號如圖磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)和符號如圖6-176-17所示。所示。NPNNPN型磁敏晶體管是在弱型磁敏晶體管是在弱P P型近本征半導(dǎo)體上，型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)結(jié)即即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元件。其所形成的半導(dǎo)體元件。其最大特點(diǎn)是最大特點(diǎn)是基區(qū)較長基區(qū)較長，在長基區(qū)的側(cè)面制成一

37、個(gè)復(fù)合率很高的，在長基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合率很高的高復(fù)合區(qū)高復(fù)合區(qū) 。在。在 區(qū)區(qū)的對面保持光滑的無復(fù)合的鏡面的對面保持光滑的無復(fù)合的鏡面I I區(qū)，長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。區(qū)，長基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。圖圖6-17 6-17 磁敏晶體管結(jié)構(gòu)與符號磁敏晶體管結(jié)構(gòu)與符號rr c) 磁敏晶體管外形磁敏晶體管外形2022-4-2932 2. 工作原理磁敏晶體管的基區(qū)寬度磁敏晶體管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長大于載流子有效擴(kuò)散長度，因而注入的載流子度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極除少部分輸入到集電極外，外，大部分通過大部分通過e-I-b 而而形成基極電流形成基極電流當(dāng)受到

38、正向磁場作用當(dāng)受到正向磁場作用時(shí)，由于洛侖茲力作時(shí)，由于洛侖茲力作用，載流子向用，載流子向發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使，從而使集集電極電流明顯下降電極電流明顯下降當(dāng)受反向磁場作用時(shí)，當(dāng)受反向磁場作用時(shí)，載流子在洛侖茲力作載流子在洛侖茲力作用下，向用下，向集電結(jié)一側(cè)集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)，使，使集電極電流集電極電流增大增大由此可以看出，磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管完全相同。在正向或由此可以看出，磁敏晶體管工作原理與磁敏二極管完全相同。在正向或反向磁場作用下，會引起反向磁場作用下，會引起集電極電流的減少或增加集電極電流的減少或增加。因此，可以用磁場。因此，可以用磁場方向控制集電極電流的增加或

39、減少，用磁場的強(qiáng)弱控制集電極電流的增方向控制集電極電流的增加或減少，用磁場的強(qiáng)弱控制集電極電流的增加或減少的變化量。加或減少的變化量。圖圖6-18 6-18 磁敏晶體管工作原理示意圖磁敏晶體管工作原理示意圖2022-4-29333. 磁敏晶體管的主要特性（1 1）磁電特性磁電特性: : 磁電特性是磁敏晶磁電特性是磁敏晶體管最重要的工作特性之一。例體管最重要的工作特性之一。例如，國產(chǎn)如，國產(chǎn)NPNNPN型型3BCM3BCM鍺磁敏晶體管鍺磁敏晶體管的磁電特性曲線如圖的磁電特性曲線如圖6-196-19所示。所示。在弱磁場作用下，曲線接近一條在弱磁場作用下，曲線接近一條直線。直線。圖圖6-19 3BC

40、M6-19 3BCM的磁電特性的磁電特性2022-4-2934（2）伏安特性磁敏晶體管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。圖磁敏晶體管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。圖6-20a6-20a為不受磁場作為不受磁場作用時(shí)磁敏晶體管的伏安特性曲線用時(shí)磁敏晶體管的伏安特性曲線圖圖6-20b6-20b給出了磁敏晶體管在基極恒流條件下（給出了磁敏晶體管在基極恒流條件下（ ）集電極電流的變化）集電極電流的變化 的特性曲線。的特性曲線。mAIB3圖圖6-20 6-20 磁敏晶體管伏安特性曲線磁敏晶體管伏安特性曲線2022-4-2935（3）溫度特性 磁敏晶體管對溫度也是敏感的。磁敏晶體管對溫度也是

41、敏感的。 3ACM3ACM、3BCM3BCM磁敏晶體管的溫度系數(shù)為磁敏晶體管的溫度系數(shù)為0.80.8/；3CCM3CCM磁敏晶體管磁敏晶體管的溫度系數(shù)為的溫度系數(shù)為-0 .6-0 .6/。3BCM3BCM的溫度特性曲線如圖的溫度特性曲線如圖6-216-21所示。所示。 圖圖6-21 3BCM6-21 3BCM磁敏晶體管的溫度特性磁敏晶體管的溫度特性返回本章目錄返回本章目錄2022-4-29366.4 磁電式傳感器的應(yīng)用6.4.1 6.4.1 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 特點(diǎn)：霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、體積小、壽命長、線性特點(diǎn)：霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、體積小、壽命長、線性度好、頻

42、帶寬。度好、頻帶寬。 應(yīng)用：用于測量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電功率、電能、大電流、微氣隙中應(yīng)用：用于測量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電功率、電能、大電流、微氣隙中的磁場；的磁場； 用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機(jī)；用以制成磁讀頭、磁羅盤、無刷電機(jī)； 用于無觸點(diǎn)發(fā)信，做接近開關(guān)、霍爾電鍵；用于制成乘、除、平用于無觸點(diǎn)發(fā)信，做接近開關(guān)、霍爾電鍵；用于制成乘、除、平方、開方等計(jì)算元件；方、開方等計(jì)算元件； 用于制作微波電路中的環(huán)行器、隔離器等等。至于再經(jīng)過二次轉(zhuǎn)用于制作微波電路中的環(huán)行器、隔離器等等。至于再經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換、用于非磁量的檢測和控制，霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域換或多次轉(zhuǎn)換、用于非磁量的檢測和控制，霍爾元件的應(yīng)用領(lǐng)域

43、就更廣泛了，如測量微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、壓力、流量、就更廣泛了，如測量微位移、轉(zhuǎn)速、加速度、振動、壓力、流量、液位等等。液位等等。2022-4-2937把探頭放在待測磁場中，探頭的磁把探頭放在待測磁場中，探頭的磁敏感面要與磁場方向垂直?？刂齐娒舾忻嬉c磁場方向垂直?？刂齐娏饔珊懔髟矗ɑ蚝銐涸矗┕┙o，用流由恒流源（或恒壓源）供給，用電表或電位差計(jì)來測量霍爾電動勢。電表或電位差計(jì)來測量霍爾電動勢。根據(jù)根據(jù) ，若控制電流，若控制電流不變，則霍爾輸出電動勢正比于磁不變，則霍爾輸出電動勢正比于磁場場. .HHUK IB1.磁場測量（微磁場測量）2022-4-29382022-4-29392. 電流

44、測量（電流計(jì)） 由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器具有測量為由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器具有測量為非接觸式、測量精度高、不必切斷電路電非接觸式、測量精度高、不必切斷電路電流、測量的頻率范圍廣（從零到幾千赫流、測量的頻率范圍廣（從零到幾千赫茲）、本身幾乎不消耗電路功率等特點(diǎn)。茲）、本身幾乎不消耗電路功率等特點(diǎn)。 根據(jù)根據(jù)安培定律安培定律，在載流導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生一，在載流導(dǎo)體周圍將產(chǎn)生一正比于該電流的磁場。用霍爾元件來測量正比于該電流的磁場。用霍爾元件來測量這一磁場，可得到一正比于該磁場的這一磁場，可得到一正比于該磁場的霍爾霍爾電動勢電動勢。通過測量霍爾電動勢的大小來間。通過測量霍爾電動勢的大小來間接測量電流

45、的大小，這就是霍爾鉗形電流接測量電流的大小，這就是霍爾鉗形電流表的基本測量原理。如圖表的基本測量原理。如圖6-236-23。圖圖6-23 6-23 霍爾元件測量電流霍爾元件測量電流2022-4-29402022-4-29412022-4-29422022-4-29433. 霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性形霍爾器件及磁路齒輪，將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的路的磁阻磁阻隨隨氣隙氣隙的改變而周期性的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈地變化

46、，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后就沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。如圖可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。如圖6-6-2424所示。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：所示。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：圖圖6-24 6-24 霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表zfn60齒盤齒盤的齒的齒數(shù)數(shù)輸出輸出脈沖脈沖數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)/ /分）分）2022-4-2944案例：案例：汽車汽車速度測量速度測量磁力線磁力線集中集中穿過霍爾穿過霍爾元件，產(chǎn)生較大的霍元件，產(chǎn)生較大的霍爾電勢，經(jīng)放大整形爾電勢，經(jīng)放大整形后輸出后輸出高電平高電平磁力線磁力線分散分散，霍爾元霍爾元件產(chǎn)生的霍爾電勢較件產(chǎn)生的霍爾電勢較小，經(jīng)放大整形后輸小，經(jīng)放

47、大整形后輸出出低電平低電平2022-4-29454. 角位移測量儀 當(dāng)當(dāng) 不同時(shí)，霍爾電勢不同時(shí)，霍爾電勢 也不也不同。霍爾角位移測量儀結(jié)構(gòu)如圖同。霍爾角位移測量儀結(jié)構(gòu)如圖6-246-24所示。霍爾器件與被測物連所示。霍爾器件與被測物連動，而霍爾器件又在一個(gè)恒定的動，而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場中轉(zhuǎn)動，于是霍爾電勢就反磁場中轉(zhuǎn)動，于是霍爾電勢就反映了轉(zhuǎn)角映了轉(zhuǎn)角 的變化。不過，這個(gè)的變化。不過，這個(gè)變化是非線性的（變化是非線性的（ 正比正比于于 ) ) ，若要求，若要求 與與 成線成線性關(guān)系，必須采用特定形狀的磁性關(guān)系，必須采用特定形狀的磁極。極。當(dāng)霍爾元件與磁場方向不垂直，而是與其法線成某一

48、角度時(shí)，這時(shí)霍當(dāng)霍爾元件與磁場方向不垂直，而是與其法線成某一角度時(shí)，這時(shí)霍爾電勢爾電勢（6-136-13）cosHHUK IBHU圖圖6-25 6-25 角位移測量儀角位移測量儀HUcosHU2022-4-2946將霍耳元件置于永久磁鐵的磁場中。其霍耳元件的輸出與成正比，即 sinIBKUHH霍耳傳感器用于角度檢測2022-4-29475. 接近開關(guān) 當(dāng)霍爾元件通以恒定的控制電流，且有當(dāng)霍爾元件通以恒定的控制電流，且有磁體近距離接磁體近距離接近霍爾元件然后再離開近霍爾元件然后再離開時(shí)，元件的霍爾輸出將發(fā)生顯時(shí)，元件的霍爾輸出將發(fā)生顯著變化，輸出一個(gè)著變化，輸出一個(gè)脈沖霍爾電勢脈沖霍爾電勢。利用

49、這種特性可進(jìn)。利用這種特性可進(jìn)行行無觸點(diǎn)發(fā)信無觸點(diǎn)發(fā)信。這種情況下，對霍爾元件本身的線性。這種情況下，對霍爾元件本身的線性和溫度穩(wěn)定性等要求不高，只要有足夠大的輸出即可。和溫度穩(wěn)定性等要求不高，只要有足夠大的輸出即可。另外，作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值，僅與磁另外，作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化值，僅與磁體和元件的相對位置有關(guān)，與相對運(yùn)動速度無關(guān)，這體和元件的相對位置有關(guān)，與相對運(yùn)動速度無關(guān)，這就使發(fā)信裝置的結(jié)構(gòu)既簡單又可靠。就使發(fā)信裝置的結(jié)構(gòu)既簡單又可靠。 霍爾無觸點(diǎn)發(fā)信可廣泛用于精確定位、導(dǎo)磁產(chǎn)品計(jì)數(shù)、霍爾無觸點(diǎn)發(fā)信可廣泛用于精確定位、導(dǎo)磁產(chǎn)品計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)速測量、接近開關(guān)和其他周期性信號的

50、發(fā)信。轉(zhuǎn)速測量、接近開關(guān)和其他周期性信號的發(fā)信。2022-4-2948 圖圖6-26 6-26 各種常見霍爾接近開關(guān)示意圖各種常見霍爾接近開關(guān)示意圖2022-4-29496. 功率測量因此，可利用霍爾元件進(jìn)行因此，可利用霍爾元件進(jìn)行直流功率直流功率測量。該電路測量。該電路適用于適用于直流大功率的測量直流大功率的測量， 為負(fù)載電阻，指示儀為負(fù)載電阻，指示儀表一般采用功率刻度的伏特表，霍爾元件采用表一般采用功率刻度的伏特表，霍爾元件采用 N N 型型鍺材料元件較為有利。其測量誤差一般小于鍺材料元件較為有利。其測量誤差一般小于1 1。這。這種功率測量方法有下列種功率測量方法有下列優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：由于霍爾電

51、勢正比于：由于霍爾電勢正比于被測功率，因此可以做成直讀式功率計(jì)；功率測量被測功率，因此可以做成直讀式功率計(jì)；功率測量范圍可從微瓦到數(shù)百瓦；裝置中設(shè)有轉(zhuǎn)動部分，輸范圍可從微瓦到數(shù)百瓦；裝置中設(shè)有轉(zhuǎn)動部分，輸出和輸入之間相互隔離，穩(wěn)定性好，精度高，結(jié)構(gòu)出和輸入之間相互隔離，穩(wěn)定性好，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，壽命長，成本低廉。簡單，體積小，壽命長，成本低廉。圖圖6-27 6-27 直流功率計(jì)電路直流功率計(jì)電路圖圖6-26-27 7是直流功率計(jì)電路。若外加磁場正比于外加電壓，表示為是直流功率計(jì)電路。若外加磁場正比于外加電壓，表示為則霍爾電勢為則霍爾電勢為（6-146-14）1iBkU外加外加電壓電壓

52、與器件與器件及器件材料、及器件材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)1i1iHHHHUK IBK IkUK k IUkP常數(shù)常數(shù)功率功率LR2022-4-29507. 霍爾無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火器u 汽車上的蓄電池或發(fā)汽車上的蓄電池或發(fā)電機(jī)向點(diǎn)火系提供電能，電機(jī)向點(diǎn)火系提供電能，機(jī)械觸點(diǎn)控制點(diǎn)火時(shí)刻，機(jī)械觸點(diǎn)控制點(diǎn)火時(shí)刻，點(diǎn)火時(shí)刻的調(diào)節(jié)采用機(jī)械點(diǎn)火時(shí)刻的調(diào)節(jié)采用機(jī)械式自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，儲能方式自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，儲能方式為電感儲能。式為電感儲能。u 傳統(tǒng)點(diǎn)火系結(jié)構(gòu)簡單，傳統(tǒng)點(diǎn)火系結(jié)構(gòu)簡單，成本低，是一種應(yīng)用較早、成本低，是一種應(yīng)用較早、較普遍的點(diǎn)火系。但該點(diǎn)較普遍的點(diǎn)火系。但該點(diǎn)火系工作可靠性差，點(diǎn)火火系工作可

53、靠性差，點(diǎn)火狀況受轉(zhuǎn)速、觸點(diǎn)技術(shù)狀狀況受轉(zhuǎn)速、觸點(diǎn)技術(shù)狀況影響較大，需要經(jīng)常維況影響較大，需要經(jīng)常維修、調(diào)整。修、調(diào)整。 傳統(tǒng)點(diǎn)火系傳統(tǒng)點(diǎn)火系 2022-4-2951傳統(tǒng)點(diǎn)火系傳統(tǒng)點(diǎn)火系 2022-4-2952傳統(tǒng)點(diǎn)火系傳統(tǒng)點(diǎn)火系 2022-4-2953u傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置采用機(jī)械式分電傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置采用機(jī)械式分電器，它由分電器轉(zhuǎn)軸凸輪來控制合金觸點(diǎn)的器，它由分電器轉(zhuǎn)軸凸輪來控制合金觸點(diǎn)的閉合來驅(qū)動火花塞一次點(diǎn)火。閉合來驅(qū)動火花塞一次點(diǎn)火。u缺點(diǎn)：存在點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)，出點(diǎn)易磨損、以缺點(diǎn)：存在點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)，出點(diǎn)易磨損、以燒壞，高速時(shí)動力不足等缺電。采用霍爾無燒壞，高速時(shí)動力不足等缺

54、電。采用霍爾無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置可以克服上述缺點(diǎn)，提高觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置可以克服上述缺點(diǎn)，提高燃燒效率。燃燒效率。2022-4-2954圖圖6-28 6-28 四汽缸霍爾式汽車電子點(diǎn)火裝置示意圖四汽缸霍爾式汽車電子點(diǎn)火裝置示意圖2022-4-2955u 霍爾式霍爾式汽車電子點(diǎn)火系汽車電子點(diǎn)火系由內(nèi)裝霍爾集成塊的霍爾式分電器、點(diǎn)火模塊、火花由內(nèi)裝霍爾集成塊的霍爾式分電器、點(diǎn)火模塊、火花塞、點(diǎn)火線圈、電源、點(diǎn)火開關(guān)等組成。當(dāng)接通點(diǎn)火開關(guān)時(shí)，發(fā)動機(jī)曲軸帶塞、點(diǎn)火線圈、電源、點(diǎn)火開關(guān)等組成。當(dāng)接通點(diǎn)火開關(guān)時(shí)，發(fā)動機(jī)曲軸帶動分電器軸轉(zhuǎn)動，信號動分電器軸轉(zhuǎn)動，信號轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)子葉片交替穿過霍爾元件氣隙，當(dāng)信號轉(zhuǎn)

55、子葉片進(jìn)交替穿過霍爾元件氣隙，當(dāng)信號轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)入氣隙時(shí)，霍爾信號傳感器輸出入氣隙時(shí)，霍爾信號傳感器輸出11.1V11.4V的高電位，高電位信號通過電的高電位，高電位信號通過電子點(diǎn)火模塊中的集成電路導(dǎo)通飽和，接通點(diǎn)火線圈初級電流，點(diǎn)火線圈鐵芯子點(diǎn)火模塊中的集成電路導(dǎo)通飽和，接通點(diǎn)火線圈初級電流，點(diǎn)火線圈鐵芯儲存磁場能；當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片離開霍爾元件間隙時(shí)，霍爾信號傳感器輸出儲存磁場能；當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片離開霍爾元件間隙時(shí)，霍爾信號傳感器輸出0.3V0.4V的低電位，低電位信號通過電子點(diǎn)火模塊使大功率三極管截止初級線圈的低電位，低電位信號通過電子點(diǎn)火模塊使大功率三極管截止初級線圈電流。初級線圈電流驟然消失使次級感

56、應(yīng)出大于電流。初級線圈電流驟然消失使次級感應(yīng)出大于1520KV高壓電，配電器將高壓電，配電器將高壓電按點(diǎn)火順序準(zhǔn)時(shí)地送給各工作缸火花塞是火花塞產(chǎn)生火花放電，完成高壓電按點(diǎn)火順序準(zhǔn)時(shí)地送給各工作缸火花塞是火花塞產(chǎn)生火花放電，完成汽缸點(diǎn)火過程。汽缸點(diǎn)火過程。2022-4-29566.4.2 磁敏電阻的應(yīng)用 利用磁敏電阻的電氣特性可以在外磁場的作用下改變利用磁敏電阻的電氣特性可以在外磁場的作用下改變的特點(diǎn)，可以用來作為的特點(diǎn)，可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度角速度/ /角位移傳感器、磁場傳感器角位移傳感器、磁場傳感器等。磁阻元件阻值等。磁阻元件阻值與通過電流量的

57、大小組合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)乘法運(yùn)算的與通過電流量的大小組合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)乘法運(yùn)算的功能，可以制作出電流計(jì)、磁通計(jì)、功率計(jì)、模擬運(yùn)功能，可以制作出電流計(jì)、磁通計(jì)、功率計(jì)、模擬運(yùn)算器、可變電阻等。此外磁敏電阻可用于開關(guān)電源、算器、可變電阻等。此外磁敏電阻可用于開關(guān)電源、UPSUPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動器、電度表、電子儀器儀、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動器、電度表、電子儀器儀表、家用電器等，應(yīng)用非常廣泛。表、家用電器等，應(yīng)用非常廣泛。2022-4-29572022-4-2958磁敏電位器（無觸點(diǎn)開關(guān)） 圖圖6-296-29是將是將 InSb-NiSb InSb-NiSb 材料制成材料制成具有中心抽頭的三端環(huán)形

58、磁阻元具有中心抽頭的三端環(huán)形磁阻元件的件的無觸點(diǎn)電位器無觸點(diǎn)電位器。將半圓形磁。將半圓形磁鋼（一種稀土永磁體）同心固定鋼（一種稀土永磁體）同心固定于磁阻元件上，并與兩個(gè)軸承固于磁阻元件上，并與兩個(gè)軸承固定的轉(zhuǎn)軸連接。隨著轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)定的轉(zhuǎn)軸連接。隨著轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，不斷地改變磁鋼在圓形磁阻動，不斷地改變磁鋼在圓形磁阻元件上面的位置。這種無觸點(diǎn)電元件上面的位置。這種無觸點(diǎn)電位器實(shí)際上是一種中間抽頭的位器實(shí)際上是一種中間抽頭的兩兩臂磁阻元件臂磁阻元件的互補(bǔ)電路。旋轉(zhuǎn)磁的互補(bǔ)電路。旋轉(zhuǎn)磁鋼改變作用于兩臂磁阻元件的鋼改變作用于兩臂磁阻元件的磁磁鋼面積比鋼面積比，可產(chǎn)生磁阻比的變化。，可產(chǎn)生磁阻比的變化。圖

59、圖6-29 6-29 無觸點(diǎn)電位器無觸點(diǎn)電位器 2022-4-2959 圖圖6-306-30表示電源電壓表示電源電壓 時(shí)，時(shí)，輸出電壓與磁鋼旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。輸出電壓與磁鋼旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。從圖可見，旋轉(zhuǎn)角輸出特性是以從圖可見，旋轉(zhuǎn)角輸出特性是以 360360為周期、以為周期、以 180180為界對稱為界對稱出現(xiàn)的。若以輸出電壓的一半處于出現(xiàn)的。若以輸出電壓的一半處于中心點(diǎn)，在中心點(diǎn)，在2525范圍內(nèi)，其線性范圍內(nèi)，其線性度達(dá)度達(dá) 0.5 % 0.5 % ；在；在4545范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，線性度達(dá)線性度達(dá)1.51.5。這種無觸點(diǎn)電位。這種無觸點(diǎn)電位器是通過磁鋼與磁阻器件的相對位器是通過磁鋼與磁阻器件

60、的相對位置變化來改變輸出電壓的，它的分置變化來改變輸出電壓的，它的分辨率比觸點(diǎn)式電位器高兩個(gè)數(shù)量級，辨率比觸點(diǎn)式電位器高兩個(gè)數(shù)量級，而且不發(fā)生因觸點(diǎn)移動而引起的摩而且不發(fā)生因觸點(diǎn)移動而引起的摩擦噪聲。但這種無觸點(diǎn)電位器的成擦噪聲。但這種無觸點(diǎn)電位器的成本比較高，不可能完全代替觸點(diǎn)式本比較高，不可能完全代替觸點(diǎn)式電位器。電位器。圖圖6-30 6-30 無觸點(diǎn)電位器旋轉(zhuǎn)的無觸點(diǎn)電位器旋轉(zhuǎn)的輸出特性輸出特性VEC62022-4-29606.4.3 磁敏二極管和磁敏晶體管的應(yīng)用 磁敏二極管比較適合于應(yīng)用在絕對精度要求不高、希望盡磁敏二極管比較適合于應(yīng)用在絕對精度要求不高、希望盡可能簡單地檢測可能簡單地