磁敏傳感器講

會計(jì)學(xué)1磁敏傳感器講2第1頁/共80頁3+I+++++－－－－－－－－－－－－Ｂlbd霍耳效應(yīng)原理圖VH第2頁/共80頁4第3頁/共80頁5第4頁/共80頁6第5頁/共80頁7第6頁/共80頁8磁敏傳感器是對磁場參量(B,H,φ)敏感的元器件或裝置,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能。

一、霍爾磁敏傳感器二、磁敏電阻三、磁敏二極管和磁敏三極管第7頁/共80頁9

8.1霍爾磁敏傳感器

（一）霍耳效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片置于磁場B中，在相對兩側(cè)通以電流I，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生一個(gè)大小與電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比的電動勢。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢稱為霍爾電勢，該薄片稱為霍爾元件。+I+++++－－－－－－－－－－－－Ｂlbd霍耳效應(yīng)原理圖VH第8頁/共80頁10（二）霍耳磁敏傳感器工作原理

設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，其長度為l，寬度為b，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，空穴受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；v—載流子運(yùn)動速度。

第9頁/共80頁11

根據(jù)右手螺旋定則，電子運(yùn)動方向向上偏移，則在上端產(chǎn)生電子積聚，下端失去電子產(chǎn)生正電荷積聚。從而形成電場。電場作用于電子的電場力為

電場力與洛侖茲力方向相反，阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)第10頁/共80頁12霍耳電勢VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比?？筛膶懗桑?/p>

電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度P型半導(dǎo)體

—霍耳系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定。p—P型半導(dǎo)體中的空穴濃度ρ—材料電阻率μ—載流子遷移率第11頁/共80頁13霍耳電勢VH與I、B的乘積成正比，而與d成反比?？筛膶懗桑?/p>

電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度P型半導(dǎo)體

—霍耳系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定。p—P型半導(dǎo)體中的空穴濃度ρ—材料電阻率μ—載流子遷移率金屬材料電子μ很高但ρ很小，絕緣材料ρ很高但μ很小。故為獲得較強(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。而電子的遷移率比空穴大，所以以N型半導(dǎo)體居多。第12頁/共80頁14設(shè)KH=RH/d

KH—霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，它決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢應(yīng)為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

第13頁/共80頁15設(shè)KH=RH/d

KH—霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，它決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為θ時(shí)，霍耳電勢應(yīng)為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢并不改變方向。第14頁/共80頁16霍耳器件片a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2（三）霍耳磁敏傳感器（霍爾元件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w電流極霍耳電極R4ABCDR1R2R3R4（c）第15頁/共80頁17控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍爾元件的基本電路R第16頁/共80頁18控制電流I；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍爾元件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。第17頁/共80頁19上兩式是霍爾元件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和霍耳輸出電勢完全呈線性關(guān)系。同理，如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓V，由于V=R1I，可得控制電壓和霍耳電勢的關(guān)系式設(shè)霍耳片厚度d均勻，電流I和霍耳電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢VH的關(guān)系式第18頁/共80頁20（四）、基本特性

1、直線性：指霍耳器件的輸出電勢VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。VH=KHBI

2、靈敏度：可以用元件靈敏度或磁場靈敏度以及電流靈敏度、電勢靈敏度表示：KH——Hall元件靈敏度，表示霍耳電勢VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值，mV/(mA·KGs)。因?yàn)榛舳妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來確定,故又稱為乘積靈敏度。第19頁/共80頁21KB——磁場靈敏度，通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)的霍耳電勢值。常用于磁場測量等情況。

KI——電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對應(yīng)的霍耳電勢值。若控制電流值固定，則：VH＝KBB若磁場值固定，則：VH＝KII第20頁/共80頁223、最大輸出功率在霍耳電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸出與負(fù)載的大小有關(guān)，當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負(fù)載電阻R3時(shí)，霍耳輸出功率為最大。4、最大效率霍耳器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，和最大輸出對應(yīng)的效率，稱為最大效率，即：5、負(fù)載特性當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)載時(shí)，因?yàn)榱鬟^霍耳電流，在霍爾元件上將產(chǎn)生壓降，故實(shí)際霍耳電勢比理論值小。由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響，霍耳電勢和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系改變。如圖所示。

第21頁/共80頁238060402000.20.40.60.81.0VH/mVλ=∞（空載）λ=7.0λ=1.5λ=3.0B/T理論值實(shí)際值VHR3I霍耳電勢的負(fù)載特性λ=R3/R2

霍耳電勢隨負(fù)載電阻值而改變的情況第22頁/共80頁247、溫度特性：指霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性。它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率（或電導(dǎo)率）與溫度的關(guān)系?；舳牧系臏囟忍卣鳎╝）RH與溫度的關(guān)系；（b）ρ與溫度的關(guān)系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0雙重影響：元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，影響靈敏度。二者相反。第23頁/共80頁258、頻率特性磁場恒定，而通過傳感器的電流是交變的。器件的頻率特性很好，到10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此,霍耳器件可用于微波范圍,其輸出不受頻率影響。

磁場交變?；舳敵霾粌H與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件與導(dǎo)體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。

總之，在交變磁場下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí)，可以不考慮頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度，選用合適的元件和導(dǎo)磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。第24頁/共80頁26造成測量誤差的主要因素有兩類：半導(dǎo)體固有特性和半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。誤差表現(xiàn)為:零位誤差和溫度誤差。零位誤差：霍爾元件在加控制電流但不加外磁場時(shí)出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位電勢，又稱為不等位電勢。主要原因在于霍爾電極不在同一等位面。（五）霍爾元件的測量誤差可采用電橋平衡原理補(bǔ)償。第25頁/共80頁27霍耳開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出?；舳_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點(diǎn)磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。（六）霍耳開關(guān)集成傳感器第26頁/共80頁28由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。1．霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H第27頁/共80頁29

3020T輸出VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路

（a）外型

霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123第28頁/共80頁302．霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0第29頁/共80頁312．霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；舳_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0

該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

第30頁/共80頁323．霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用

（1）霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVAC第31頁/共80頁33VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL第32頁/共80頁34①磁鐵軸心接近式

在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，霍耳開關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo

磁鐵Ф6.4×320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí),傳感器開關(guān)接通,而磁鐵移開到一定距離時(shí)開關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí),如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場合,對作用距離作合適的選擇。

（2）給傳感器施加磁場的方式第33頁/共80頁35

②磁鐵側(cè)向滑近式

要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動的方式在傳感器前方通過。霍耳開關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙2.05AlNiCo磁鐵Ф6.4×32L2距離L2/mm第34頁/共80頁36③采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍耳開關(guān)應(yīng)用時(shí)，提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)重要方面。除選用磁感應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外，還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖第35頁/共80頁37●點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)

●轉(zhuǎn)速、里程測定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)

●按鈕開關(guān)、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等。4.霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域第36頁/共80頁381．霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

霍耳線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍耳元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。（七）霍耳線性集成傳感器單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H第37頁/共80頁391．霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。

（七）霍耳線性集成傳感器第38頁/共80頁401．霍耳線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

霍耳開關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍耳線性集成傳感器的輸出卻是對外加磁場的線性感應(yīng)。因此霍耳線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。霍耳線性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。（七）霍耳線性集成傳感器第39頁/共80頁41單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖

單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。

雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。第40頁/共80頁422．霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)

傳感器的輸出特性如下圖：磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線第41頁/共80頁43（八）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用

利用霍耳效應(yīng)制作的霍耳器件，不僅在磁場測量方面，而且在測量技術(shù)、無線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。

第42頁/共80頁44（八）霍耳磁敏傳感器的應(yīng)用

利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無觸點(diǎn)開關(guān)等。第43頁/共80頁45

利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用。

(2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。

(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。

(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。

(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動態(tài)特性好。

第44頁/共80頁46

利用霍耳傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用。

(2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。

(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。

(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。

(5)霍耳器件載流子慣性小，裝置動態(tài)特性好?；舳骷泊嬖谵D(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。第45頁/共80頁47測量磁場的大小和方向電位差計(jì)mAESNR圖2.6-24霍耳磁敏傳感器測磁原理示意圖第46頁/共80頁48材料溫度(K)RHInSb78460.0527110InAs787.50.0096506.8Si78150.05070表2.6-2幾種導(dǎo)體材料在低溫下的性能第47頁/共80頁498.2磁敏電阻

是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。第48頁/共80頁508.2磁敏電阻

電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，也稱MR元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)。（一）

磁阻效應(yīng)

若給通以電流的金屬或半導(dǎo)體材料的薄片加以與電流垂直或平行的外磁場，則其電阻值就增加。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻效應(yīng)，簡稱為磁阻效應(yīng)。第49頁/共80頁51

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場的作用而加長，使得材料的電阻率增加。若某種金屬或半導(dǎo)體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率十分懸殊，主要由遷移率較大的一種載流子引起電阻率變化,它可表示為：Ｂ——為磁感應(yīng)強(qiáng)度；ρ——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為Ｂ時(shí)的電阻率；ρ0——材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；μ——載流子的遷移率。第50頁/共80頁52LWBB

幾何磁阻效應(yīng)II（a（b第51頁/共80頁53長方形磁阻器件只有在L(長度)<W（寬度）的條件下，才表現(xiàn)出較高的靈敏度。把L<W的扁平器件串聯(lián)起來，就會零磁場電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。第52頁/共80頁54

圖（a）是沒有柵格（短路電極）時(shí)，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小。LWBB

幾何磁阻效應(yīng)II（a（b在L>W長方形磁阻材料上面制作許多平行等間距的金屬條（即短路柵格），以短路霍耳電勢，這種柵格磁阻器件如圖（b）所示，就相當(dāng)于許多扁條狀磁阻串聯(lián)。所以柵格磁阻器件既增加了零磁場電阻值、又提高了磁阻器件的靈敏度。第53頁/共80頁55

常用的磁阻元件有半導(dǎo)體磁阻元件和強(qiáng)磁磁阻元件。其內(nèi)部有制作成半橋或全橋等多種形式。第54頁/共80頁561靈敏度特性磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場——電阻特性的斜率。常用K表示，在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下，磁阻元件的電阻值，RB為在施加0.3T磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)磁阻元件表現(xiàn)出來的電阻值，這種情況下，一般磁阻元件的靈敏度大于2.7。（二）

磁阻元件的主要特性第55頁/共80頁572磁場—電阻特性

磁阻元件磁場—電阻特性N級0.30.20.100.10.20.3R/Ω1000500S級(a)S、N級之間電阻特性B/T15RBR0105溫度(25℃)弱磁場下呈平方特性變化強(qiáng)場下呈直線特性變化0(b)電阻變化率特性0.20.40.60.81.01.21.4B/T磁阻元件的電阻值與磁場的極性無關(guān)，它只隨磁場強(qiáng)度的增加而增加在0.1T以下的弱磁場中，曲線呈現(xiàn)平方特性，而超過0.1T后呈現(xiàn)線性變化第56頁/共80頁583電阻——溫度特性下圖是一般半導(dǎo)體磁阻元件的電阻——溫度特性曲線，從圖中可以看出，半導(dǎo)體磁阻元件10384210242106-4002060100溫度/℃電阻變化率%半導(dǎo)體元件電阻-溫度特性曲線的溫度特性不好。圖中的電阻值在35℃的變化范圍內(nèi)減小了1/2。因此，在應(yīng)用時(shí)，一般都要設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路。第57頁/共80頁59（三）磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻可以用來作為電流傳感器、磁敏接近開關(guān)、角速度/角位移傳感器、磁場傳感器等?？捎糜陂_關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動測量、地磁場的測量、探礦等。第58頁/共80頁608.3磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管、三極管是繼霍耳元件和磁敏電阻之后迅速發(fā)展起來的新型磁電轉(zhuǎn)換元件。特點(diǎn):

磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；

能識別磁場的極性；

體積小、電路簡單等。第59頁/共80頁61（一）磁敏二極管（SMD）的原理和特性

1．磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理

（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)：有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。磁敏二級管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域，并將較長的本征區(qū)（i區(qū)）的一個(gè)側(cè)面打毛形成高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。第60頁/共80頁62（一）磁敏二極管（SMD）的原理和特性第61頁/共80頁63PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖（2）磁敏二極管的工作原理

iii電子空穴復(fù)合區(qū)第62頁/共80頁64PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖流過二極管的電流也在變化，也就是說二極管等效電阻隨著磁場的不同而不同。

（2）磁敏二極管的工作原理

當(dāng)磁敏二極管的P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極即外加正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場的變化，iii電子空穴復(fù)合區(qū)第63頁/共80頁65結(jié)論：隨著磁場大小和方向的變化，可產(chǎn)生輸出電流（電壓）的變化、特別是在較弱的磁場作用下，可獲得較大輸出電壓。若r區(qū)和r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場無關(guān)。因而流過二極管的電流（端電壓）不會因受到磁場作用而有任何改變。第64頁/共80頁66

2．磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性

在給定磁場情況下，磁敏二極管兩端正向偏壓和通過它的電流的關(guān)系曲線。-0.2213579U/VI/mA00.2T0.15T0.1T0.05T-0.05T（a）531I/mA46810U/V-0.3-0.2-0.100.10.20.30.4（b）531I/mA481216U/V-0.100.10.40.30.2-0.3（c）

磁敏二極管伏安特性曲線（a）鍺磁敏二極管（b）、（c）硅二極管-0.1T-0.15T-0.2T000第65頁/共80頁67

由圖可見硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式。一種如圖（b）所示，開始在較大偏壓范圍內(nèi)，電流變化比較平坦，隨外加偏壓的增加，電流逐漸增加；此后，伏安特性曲線上升很快，表現(xiàn)出其動態(tài)電阻比較小。另一種如圖2.6-29(c)所示。硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有負(fù)阻現(xiàn)象，即電流急增的同時(shí)，有偏壓突然跌落的現(xiàn)象。

產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻硅的熱平衡載流子較少，且注入的載流子未填滿復(fù)合中心之前，不會產(chǎn)生較大的電流，當(dāng)填滿復(fù)合中心之后，電流才開始急增之故。第66頁/共80頁68

（2）磁電特性在給定條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與外加磁場間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。磁敏二極管的磁電特性曲線（a）單個(gè)使用時(shí)（b）互補(bǔ)使用時(shí)B/0.1T1.02.03.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0

3kΩREE=12VTd=20℃a（b）ΔU/VΔU/V

下圖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。第67頁/共80頁69

（3）溫度特性溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，輸出電壓變化量（或無磁場作用時(shí)中點(diǎn)電壓）隨溫度變化的規(guī)律，如圖所示。ΔU/VT/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I圖2.6-31磁敏二極管溫度特性曲線(單個(gè)使用時(shí))ΔU互補(bǔ)：兩只性能相近的磁敏二極管按相反磁極性組合，并串聯(lián)在電路中。第68頁/共80頁70由圖可見，磁敏二極管受溫度的影響較大。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。硅磁敏二極管在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下，u0的溫度系數(shù)小于＋20mV／℃，的溫度系數(shù)小于0.6%/℃。而鍺磁敏二極管u0的溫度系數(shù)小于-60mV／℃，的溫度系數(shù)小于1.5%/℃。所以，規(guī)定硅管的使用溫度為-40～＋85℃，而鍺管則現(xiàn)定為-40～＋65℃。第69頁/共80頁71（4）頻率特性

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)合并達(dá)到動態(tài)平衡的時(shí)間。所以，頻率響應(yīng)時(shí)間與載流子的有效壽命相當(dāng)。硅管的響應(yīng)時(shí)間小于1，即響應(yīng)頻率高達(dá)1MHz。鍺磁敏二極管的響應(yīng)頻率小于10kHz。dB0.1-12-9-6-301010.01圖2.6-32鍺磁敏三極管頻率特性f/kHz第70頁/共80頁72（二）磁敏三極管的工作原理和主要特性

1．磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理

（1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)NPN型磁敏三極管是在弱P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)——即發(fā)射結(jié)、基極結(jié)、集電結(jié)所形成的半導(dǎo)體元圖2.6-33NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號a)結(jié)構(gòu)b)符號rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件。如圖。最大的特點(diǎn)是基區(qū)很長，基區(qū)結(jié)構(gòu)類似于磁敏二極管。i第71頁/共80頁73（2）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）磁敏三極管工作原理示意圖(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-1-運(yùn)輸基區(qū)；2-復(fù)合基區(qū)12第72頁/共80頁74當(dāng)不受磁場作用如圖時(shí)，由于磁敏三極管的基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長度，因而注入的載流子除少部分輸入到集電極c外，大部分通過e—i—b而形成基極電流。顯而易見，基極電流大于集電極電流。所以，電流放大系數(shù)=Ic／Ib＜1。當(dāng)受到H＋磁場作用如圖（b）時(shí)，由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降。當(dāng)受磁場使用如圖(c)時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。第73頁/共80頁75/b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVCE/VIb=3mAB-=－0.1TIb=3mAB=0Ib=3mAB+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA磁敏三極管伏安特性曲線2．磁敏三極管的主要特性

（1）伏安特性

圖(b)給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（Ib=3mA）、磁場為0.1T時(shí)的集電極電流的變化；圖(a)則為不受磁場作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。第