第九章磁敏傳感器

9.1霍爾傳感器9.2磁敏電阻9.3結(jié)型磁敏管第9章磁敏傳感器磁場(chǎng)電信號(hào)

9.1霍爾傳感器

磁場(chǎng)電壓UH9.1.1霍爾效應(yīng)

當(dāng)把一塊金屬或半導(dǎo)體簿片垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，沿著垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流I，就會(huì)在薄片的另一對(duì)側(cè)面間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，如圖9-1所示。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，這種薄片（一般為半導(dǎo)體）稱為霍爾片或霍爾元件。圖9-1霍爾效應(yīng)原理圖

9.1霍爾傳感器

在磁場(chǎng)B中運(yùn)動(dòng)的電子將受到Lorentz力fLfL=evB(9-1)偏轉(zhuǎn),建立的霍爾電場(chǎng)EH對(duì)隨后的運(yùn)動(dòng)電子施加一電場(chǎng)力fEfE=eEH=eUH/b(9-2)平衡時(shí)，fL=fE，即evB=eUH/b(9-3)由于電流密度J=-nev(v為電子運(yùn)動(dòng)速度)，則電流強(qiáng)度為I=-nevbd(9-4)所以(9-5)式中，d—霍爾片度；n—電子濃度；RH=1/ne—霍爾系數(shù)；KH=RH/d=1/ned—霍爾靈敏度。9.1霍爾傳感器

從式(9-3)知，霍爾電壓UH與載流子的運(yùn)動(dòng)速度v有關(guān)，即與載流子的遷移率有關(guān)。由于=v/El(El為電流方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度)，材料的電阻=1/ne，所以霍爾系數(shù)RH與載流體材料的電阻率和載流子的遷移率的關(guān)系為RH=（9-6）

金屬導(dǎo)體：大，但小（n大）；絕緣體：大（n?。?，但?。凰鼈兌疾灰俗骰魻栐?RH太小)。半導(dǎo)體：、適中—適宜作霍爾元件。9.1霍爾傳感器

霍爾電壓UH還與元件的幾何尺寸有關(guān)：

KH=1/ned厚度d越小越好，一般d=0.01mm；寬度b加大，或長(zhǎng)寬比（l/b）減小時(shí)，將會(huì)使UH下降，應(yīng)加以修正式中，f(l/b)—形狀效應(yīng)系數(shù)，如表9-2所示。一般取l/b=2~2.5，則f(l/b)1，就足夠了。9.1霍爾傳感器

圖9-1霍爾元件示意圖a)原理圖；b)結(jié)構(gòu)圖；c)圖形符號(hào)；d)外形圖9.1霍爾傳感器9.1.2霍爾元件主要技術(shù)參數(shù)

1.輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

Ri

Ro，Ri、Ro=100~2000。

2.額定控制電流Ic—使霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10C溫升的控制電流Ic=(幾~幾十)mA。

3.不等位電勢(shì)U0和不等為電阻R0霍爾元件在額定控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)其霍爾電極間的電勢(shì)為不等位電勢(shì)U0，主要是由于兩電極不在同一等位面上以及材料電阻率不均勻等因素引起的，一般U0

10mV。等效為不等為電阻R0=U0/Ic。

4.靈敏度KH在單位磁感強(qiáng)度下，通以單位控制電流時(shí)所產(chǎn)生的開(kāi)路霍爾電壓（mV/mA·T或mV/mA·kGs）。9.1霍爾傳感器

5.寄生直流電勢(shì)UoD在不加外磁場(chǎng)時(shí)，交流控制電流通過(guò)霍爾元件而在霍爾電極間產(chǎn)生的直流電勢(shì)為寄生直流電勢(shì)UoD。它主要是由于電極與霍爾片間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。

6.霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)為溫度變化1C時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率（%/C）。

7.電阻溫度系數(shù)為溫度變化1C時(shí)，霍爾元件電阻變化的百分（%/C）

8.靈敏度溫度系數(shù)為溫度變化1C時(shí)，霍爾元件靈敏度的變化率。

9.線性度表9-3列出幾種霍爾元件的主要技術(shù)性能。9.1霍爾傳感器9.1.3基本誤差及其補(bǔ)償9.1.3.1溫度誤差及其補(bǔ)償

溫度變化，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻（Ri、Ro)和霍爾靈敏度（KH）等變化，給測(cè)量帶來(lái)一定誤差，即溫度誤差。為了減溫度誤差，需采取溫度補(bǔ)償措施。

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1.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

溫度變化引起霍爾元件輸入電阻Ri變化，在穩(wěn)壓源供電時(shí)，使控制電流變化，帶來(lái)誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源(穩(wěn)定度0.1%)提供控制電流。但靈敏度系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)一步提高UH的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路并聯(lián)電阻R，如圖9-2所示。圖9-2恒流源及輸入并聯(lián)電阻溫度補(bǔ)償電路9.1霍爾傳感器

由補(bǔ)償電路圖知，在溫度t0和t時(shí)

(9-8)(9-9)(9-10)(9-11)當(dāng)溫度影響完全補(bǔ)償時(shí)，UH0=UHt，則

(9-12)將式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得

(9-13,14)9.1霍爾傳感器

2．選取合適的負(fù)載電阻RL

霍爾元件的輸出電阻R。和霍爾電勢(shì)都是溫度的函數(shù)(設(shè)為正溫度系數(shù))，霍爾元件應(yīng)用時(shí)，其輸出總要接負(fù)載RL(如電壓表內(nèi)阻或放大器的輸入阻抗等)。當(dāng)工作溫度改變時(shí)，輸出電阻R。的變化必然會(huì)引起負(fù)載上輸出電勢(shì)的變化。RL上的電壓為式中，Ro0—溫度為t0時(shí)霍爾元件的輸出電阻。要使負(fù)載電壓UL不隨溫度變化，即9.1霍爾傳感器3.采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻

當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓源供電，且霍爾輸出開(kāi)路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串人適當(dāng)電阻來(lái)補(bǔ)償溫度誤差，其分析過(guò)程與結(jié)果同式(9-14)。9.1霍爾傳感器

4．采用溫度補(bǔ)償元件

這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法，尤其適用于銻化銦材料的霍爾元件。圖9-3示出了采用熱敏元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)膸追N不同連接方式的例子。圖中ri為激勵(lì)源內(nèi)阻r(t)、R(t)為熱敏元件如熱電阻或熱敏電阻。通過(guò)對(duì)電路的簡(jiǎn)單計(jì)算便可求得有關(guān)的R(t)和r(t)的阻值。圖9—3采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路(a)、(b)、(c)為電壓源激勵(lì)；(d)為電流源激勵(lì)9.1霍爾傳感器

9.1.3.2零位誤差及其補(bǔ)償

霍爾元件的零位誤差主要有不等位電勢(shì)Uo和寄生直流電勢(shì)UoD等。不等位電勢(shì)Uo如圖9-4(a)所示?；魻栐傻刃橐粋€(gè)四臂電橋，如圖9-4(b)所示。除了工藝上采取措施降低Uo外，還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。如圖9-4(c)所示。

改變工作電流方向，取其霍爾電勢(shì)平均值，或采用交流供電亦可以。圖9-4不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路(a)不等位電路；(b)等效電路；(c)補(bǔ)償電路9.1霍爾傳感器

9.1.4霍爾元件的應(yīng)用電路

1.基本應(yīng)用電路

圖9-5所示為霍爾元件的基本應(yīng)用電路。由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)B與控制電流Ic作用下才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)UH，所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以把Ic和B的乘積、或者Ic、或者B作為輸入信號(hào)，則霍爾元件的輸出電勢(shì)分別正比于IcB或Ic或B。通過(guò)霍爾元件的電流Ic為則9-5霍爾元件基本應(yīng)用電路

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圖9-6為霍爾元件的幾種偏置電路：(a)是無(wú)外接偏置電阻的電路。適用于RH較大的霍爾元件(b)是在電源正端與霍爾片之間串接偏置電阻R的電路。適用RH較小的霍爾元件；(c)是在電源負(fù)端與霍爾片之間串接電阻R的電路。適用于RH較小元件。圖9-6霍爾元件偏置電路9.1霍爾傳感器

2．霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式

霍爾元件的控制電流可以采用恒流驅(qū)動(dòng)或恒壓驅(qū)動(dòng)，如圖9-7所示。圖9-7霍爾元件的驅(qū)動(dòng)方式(a)恒流驅(qū)動(dòng)；(b)恒壓驅(qū)動(dòng)9.1霍爾傳感器

3．霍爾元件的連接方式為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片霍爾元件疊加的連接方式。如圖9-8(a)所示，直流供電，輸出電勢(shì)UH為單片的兩倍。圖9-8(b)為交流供電情況，控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級(jí)繞阻，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢(shì)信號(hào)疊加值輸出。圖9-8霍爾元件疊加連接方式(a)直流供電；(b)交流供電9.1霍爾傳感器

圖9-9GaAs霍爾元件的輸出電路(a)線性應(yīng)用；(b)開(kāi)關(guān)應(yīng)用

4．霍爾電勢(shì)的輸出電路霍爾元件是一種四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱?shì)一般在毫伏數(shù)量級(jí)，在實(shí)際使用時(shí)，必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測(cè)量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有兩種結(jié)構(gòu)，如圖9-9所示。9.1霍爾傳感器

如果霍爾電壓信號(hào)僅為交流輸出時(shí)，可采用圖9-10所示差動(dòng)放大電路，用電容隔掉直流信號(hào)即可。圖9-10交流霍爾電壓放大電路9.1.5集成霍爾器件將霍爾元件及其放大電路、溫度補(bǔ)償電路和穩(wěn)壓電源等集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成獨(dú)立器件—集成霍爾器件，不僅尺寸緊湊便于使用，而且有利于減小誤差，改善穩(wěn)定性。根據(jù)功能的不同，集成霍爾器件分為霍爾線性集成器件和霍爾開(kāi)關(guān)集成器件兩類。9.1霍爾傳感器9.1.5集成霍爾器件

9.1霍爾傳感器圖9-02線性集成霍爾器件輸出特性

(a)(b)圖9-01線性集成霍爾器件(a)外形尺寸；(b)內(nèi)部電路框圖9.1.5集成霍爾器件

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(a)(b)圖9-03開(kāi)關(guān)型集成霍爾器件(a)外形尺寸；(b)內(nèi)部電路框圖圖9-04開(kāi)關(guān)型線性集成霍爾器件的施密特輸出特性9.1.5集成霍爾器件

9.1霍爾傳感器(a)(b)圖9-05差動(dòng)輸出線性集成霍爾器件(a)外形；(b)內(nèi)部電路框圖圖9-06差動(dòng)輸出線性集成霍爾器件輸出特性9.1霍爾傳感器

1．霍爾線性集成器件

霍爾線性集成器件的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，它有單端輸出和雙端輸出(差動(dòng)輸出)兩種電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-11所示。圖9-11霍爾線性集成器件(a)單端輸出(UGN3501T)；(b)差動(dòng)輸出(UGN3501M)9.1霍爾傳感器

UGN3501T的電源電壓與相對(duì)靈敏度的特性如圖9-12所示，由圖可知Ucc高時(shí)，輸出靈敏度高。UGN3501T的溫度與相對(duì)靈敏度的特性如圖9-13所示，隨著溫度的升高，其靈敏度下降。因此，若要提高測(cè)量精度，需在電路中增加溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

圖9-12Ucc與相對(duì)靈敏度關(guān)系

圖9-13溫度與相對(duì)靈敏度關(guān)系9.1霍爾傳感器

UGN3501T的磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓特性如圖9-14所示，由圖可見(jiàn)，在0.15T磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，有較好的線性度，超出此范圍時(shí)呈飽和狀態(tài)。UGN3501的空氣間隙與輸出電壓特性如圖9-15所示，由圖可見(jiàn)，輸出電壓與空氣間隙并不是線性關(guān)系。圖9-14磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓關(guān)系

圖9-15空氣間隙與輸出電壓關(guān)系

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UGN3501M為差動(dòng)輸出，輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性。UGN3501M的1、8兩腳輸出與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，當(dāng)磁場(chǎng)的方向相反時(shí)，其輸出的極性也相反，如圖9-16所示。圖9-16UGN3501M的輸出與磁場(chǎng)方向關(guān)系9.1霍爾傳感器

UGN3501M的5、6、7腳接一調(diào)整電位器時(shí)，可以補(bǔ)償不等位電勢(shì)，并且可改善線性，但靈敏度有所下降。若允許一定的不等位電勢(shì)輸出，則可不接電位器。輸出特性如圖9-17所示。圖9-17UGN3501M輸出與磁場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系路

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若以UGN3501M的中心為原點(diǎn)，磁鋼與UGN3501M的頂面之間距離為D，則其移動(dòng)的距離與輸出的差動(dòng)電壓如圖9-18所示，由圖可以看出，在空氣間隙為零時(shí)，每移動(dòng)0.01英寸(0.254mm)輸出為3mV，即相當(dāng)11.8mV/mm，當(dāng)采用高能磁鋼(如釤鈷磁鋼或釹鐵硼磁鋼)，每移動(dòng)1mm時(shí)，能輸出30mV，并且在一定距離內(nèi)呈線性。圖9-18移動(dòng)距離與輸出關(guān)系

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2．霍爾開(kāi)關(guān)集成器件

常用的霍爾開(kāi)關(guān)集成器件有UGN3000系列，其外形與UGN3501T相同。圖9-19霍爾開(kāi)關(guān)集成器件(a)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；（b）工作特性；（c）工作電路；（d）鎖定型器件工作特性9.1霍爾傳感器9.1.6霍爾傳感器的應(yīng)用

1．位移測(cè)量

圖9-20霍爾位移測(cè)量（a）結(jié)構(gòu)；（b）輸出特性9.1霍爾傳感器

2．力(壓力)測(cè)量

如圖9-21所示，當(dāng)力F作用在懸臂梁上時(shí)，梁將發(fā)生變形，霍爾器件將有與力成正比的電壓輸出，通過(guò)測(cè)試電壓即可測(cè)出力的大小。力與電壓輸出有一些非線性時(shí)，可采用電路或單片機(jī)軟件來(lái)補(bǔ)償。圖9-21霍爾力傳感器9.1霍爾傳感器

3．角度測(cè)量

如圖9-22(a)所示，將霍爾器件置于永久磁鐵的磁場(chǎng)中，其輸出霍爾電勢(shì)UH為

圖9-22霍爾角度檢測(cè)9.1霍爾傳感器

4．霍爾加速度傳感器

霍爾加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理及輸出特性如圖9-23所示。圖9-23霍爾加速度傳感器9.1霍爾傳感器

5．霍爾電流傳感器

霍爾傳感器廣泛用于測(cè)量電流，從而可以制成電流過(guò)載檢測(cè)器或過(guò)載保護(hù)裝置；在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)中，作為電流反饋元件，構(gòu)成電流反饋回路；構(gòu)成電流表。UGN3501M霍爾電流傳感器原理如圖9-24所示。圖9-24霍爾電流傳感器9.1霍爾傳感器

利用UNG3501M霍爾電流傳感器與液晶數(shù)顯電路組成數(shù)顯電流表，如圖9-25所示。0~50A電流顯示0.00~50.0。

圖9-25數(shù)顯霍爾電流表9.1霍爾傳感器

6．霍爾功率傳感器利用UH=KHIB關(guān)系，如果I和B是兩個(gè)獨(dú)立變量，霍爾器件就是一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的模擬乘法器；如果I和B分別與某一負(fù)載兩端的電壓和通過(guò)的電流有關(guān)，則霍爾器件便可用于負(fù)載功率測(cè)量。圖9-26是霍爾功率傳感器原理圖。圖9-26霍爾器件測(cè)電功率9.1霍爾傳感器

負(fù)載ZL所取電流i流過(guò)鐵芯線圈以產(chǎn)生交變磁感強(qiáng)度B，電源電壓U經(jīng)過(guò)降壓電阻R得到的交流電流ic流過(guò)霍爾器件，則霍爾器件輸出電壓UH便與電功率p成正比，即則霍爾電壓uH平均值為

若將圖9-26中的電阻R改用電容C代替，使ic移相90，則可測(cè)無(wú)功功率

Q，即9.1霍爾傳感器

霍爾元件還可以完成乘方和開(kāi)方功能。

乘方運(yùn)算極為簡(jiǎn)單，只需將電流端子和電磁鐵的線圈串聯(lián)起來(lái)，使輸入電流Ii既形成磁感應(yīng)強(qiáng)度B，又給元件提供控制電流Ii，結(jié)果必然得到UH∝Ii2的關(guān)系，見(jiàn)圖9-27所示。圖9-27霍爾元件平方器

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霍爾元件開(kāi)方器是利用平方負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)的。在圖9-28(a)中，設(shè)放大器的放大倍數(shù)足夠大，則可認(rèn)為放大器的輸入信號(hào)≈0，于是整個(gè)電路的輸入電壓Ui和負(fù)反饋電壓UH幾乎相等，即Ui≈UH。若負(fù)反饋方框是用和圖9-27一樣的霍爾平方器構(gòu)成的，即如圖9-28(b)所示，則輸出電流Io必然正比于Ui的平方根，即故得圖9-28霍爾元件開(kāi)方器

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7.霍爾高斯計(jì)

在磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.IT時(shí)，UGN3501M的典型輸出電壓為1400mV，因此可以制成0.1T的高斯計(jì)，如圖9-29所示。電源電壓為8~16V。在5、6腳接一個(gè)20的調(diào)零電位器，在1、8腳接一可調(diào)靈敏度的10k電位器及內(nèi)阻常數(shù)最小為10k/V的電壓表。若在5、6兩腳上各接一只47電阻后，再接20電位器，其線性范圍可達(dá)0.3T。圖9—29簡(jiǎn)易高斯計(jì)

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8.霍爾計(jì)數(shù)裝置

UGN3501T具有較高的靈敏度，能感受到很小的磁場(chǎng)變化，因而可以檢測(cè)鐵磁物質(zhì)的有無(wú)。利用這一特性可以制成計(jì)數(shù)裝置，其應(yīng)用電路及計(jì)數(shù)裝置如圖9-30所示。圖9-30鋼球計(jì)數(shù)裝置及電路圖

從圖中還可以看出，霍爾器件也是一種接近開(kāi)關(guān)。

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9.霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

圖9-31為霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置電路圖。當(dāng)磁鋼與霍爾器件重合時(shí)，霍爾傳感器輸出低電平，信號(hào)經(jīng)非門整形后，形成脈沖，然后經(jīng)ADVFC32把頻率轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，再送人ICL7106進(jìn)行轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)LCD。為了提高轉(zhuǎn)速測(cè)量的分辨率，可增加薄片圓周上磁鋼的個(gè)數(shù)。圖9—31霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置

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10.霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器

圖9-32為霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器分電盤及電路原理圖。在分電盤上裝幾個(gè)磁鋼(磁鋼數(shù)與汽缸數(shù)相對(duì)應(yīng))，在盤上裝一霍爾開(kāi)關(guān)器件，每當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到霍爾器件時(shí)，輸出一個(gè)脈沖，經(jīng)放大升壓后送人點(diǎn)火線圈。圖9-32霍爾開(kāi)關(guān)電子點(diǎn)火器9.1霍爾傳感器

11．霍爾電機(jī)

霍爾無(wú)刷直流電機(jī)工作原理如圖9-33所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由磁鋼制成(一對(duì)磁極)，定子由四個(gè)極靴繞上線圈W1、W2、W3、W4組成，各個(gè)線圈都通過(guò)相應(yīng)的三極管VT1～VT4供電。四個(gè)開(kāi)關(guān)型霍爾器件H1～H4配置在四個(gè)極靴電極上。可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙極性、四狀態(tài)電子換向電路。圖9—33霍爾直流無(wú)刷電機(jī)工作原理圖9.2磁敏電阻9.2.1磁阻效應(yīng)

某些材料(如霍爾元件)的電阻值受磁場(chǎng)的影響而改變的現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)制成的元件稱為磁敏電阻。在外加磁場(chǎng)作用下，某些載流子受到的洛倫茲力比霍爾電場(chǎng)作用力大時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡就偏向洛倫茲力的方向；這些載流子從一個(gè)電極流到另一個(gè)電極所通過(guò)的路徑就要比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的路徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻值。電阻的增值可以用載流子在磁場(chǎng)作用下的平均偏移角—霍爾角來(lái)衡量，平均偏移角與磁場(chǎng)B及載流子遷移率之間有如下關(guān)系tan=B(9-21)9.2磁敏電阻

磁阻效應(yīng)(物理)方程為B=0(1+0.2732B2)(9-22)式中，B一存在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率；0一無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻率；一電子遷移率；B一磁感應(yīng)強(qiáng)度。電阻率的變化為=B0，則電阻率的相對(duì)變化為/0=0.2732B2=K2B2(9-23)物理磁阻效應(yīng)

磁阻效應(yīng)幾何磁阻效應(yīng)半導(dǎo)體磁敏電阻

磁敏電阻

強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻9.2磁敏電阻9.2.2半導(dǎo)體磁敏電阻

利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)制成的磁敏電阻可以有如圖9-34所示的幾種形式，這些形狀不同的半導(dǎo)體薄片都處在垂直于紙面向外的磁場(chǎng)中，電子運(yùn)動(dòng)的軌跡都將向左前方偏移，因此出現(xiàn)圖中箭頭所示的路徑(箭頭代表電子運(yùn)動(dòng)方向)。圖9-34半導(dǎo)體磁敏電阻元件內(nèi)電流分布(a)縱長(zhǎng)形器件;(b)橫長(zhǎng)形器件;(c)科比諾圓盤;(d)柵格式器件9.2磁敏電阻

半導(dǎo)體磁敏電阻效應(yīng)與器件幾何形狀(l／w)之間關(guān)系為/0≈K(B)21f(l／w)(9-24)式中，l，W，一分別為器件的長(zhǎng)和寬；f(l／w)一形狀效應(yīng)系數(shù)。對(duì)于以上討論的四種形狀的磁敏電阻，其形狀效應(yīng)特性可表示為圖9-35(a)所示曲線；磁敏電阻的特性(靈敏度)如圖9-35(b)；應(yīng)用電路多接成分壓形式，如圖9-35(c)。圖9-35半導(dǎo)體磁敏電阻特性及應(yīng)用電路

9.2磁敏電阻

半導(dǎo)體磁敏電阻的材料與霍爾元件的要求相似，通常也是InSb和InAs等(當(dāng)B>1時(shí)，RB／R0～B進(jìn)入線性區(qū)，若取B=0.3T，要滿足B>1，則>3.3104cm2／V·s，由此選擇材料)，片的厚度也是盡可能小。實(shí)用的半導(dǎo)體磁敏電阻制成柵格式，它由基片、電阻條和引線三個(gè)主要部分組成。基片又稱襯底，一般用0.1～0.5mm厚的高頻陶瓷片或玻璃片，也可以是硅片經(jīng)氧化處理后作基片；基片上面利用薄膜技術(shù)制作一層半導(dǎo)體電阻層，其典型厚度為20m；然后用光刻的方法刻出若干條與電阻方向垂直排列的金屬條(短路條)，把電阻層分割成等寬的電阻柵格，其橫長(zhǎng)比w/l>40；磁敏電阻就是由這些條形磁敏電阻串聯(lián)而成的，初始電阻約為100，柵格金屬條在100根以上。通常用非鐵磁質(zhì)如Φ50~100m的硅鋁絲或Φ10~20m的金線作磁敏電阻內(nèi)引線，而用薄紫銅片作外引線。9.2磁敏電阻

除了以上柵格式之外，還有一種由InSb和NiSb構(gòu)成的共晶式半導(dǎo)體(在拉制InSb單晶時(shí)，加入1％的Ni，可得InSb和NiSb的共晶材料)磁敏電阻。這種共晶里，NiSb呈具有一定排列方向的針狀晶體，它的導(dǎo)電性好，針的直徑在1m左右，長(zhǎng)約100m，許多這樣的針橫向排列，代替了金屬條起短路霍爾電壓的作用，見(jiàn)圖9-36。由于InSb的溫度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成摻雜的共晶，但靈敏度要損失一些。圖9-36共晶式半導(dǎo)體磁敏電阻9.2磁敏電阻9.2.3強(qiáng)磁性金屬薄膜磁敏電阻

具有高磁導(dǎo)率的金屬稱為強(qiáng)磁性金屬。強(qiáng)磁性金屬處于磁場(chǎng)中時(shí)，主要產(chǎn)生兩種效應(yīng)：強(qiáng)制磁阻效應(yīng)和定向磁阻效應(yīng)。磁場(chǎng)強(qiáng)度H大于某一磁場(chǎng)H1的強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)制磁場(chǎng)效應(yīng)，電阻率隨H增加而下降，負(fù)的磁阻效應(yīng)。當(dāng)H<H1的弱磁場(chǎng)情況下，產(chǎn)生定向磁阻效應(yīng)，電阻率隨磁場(chǎng)與輸入磁敏電阻的電流之間的夾角而變化，即與方向有關(guān)，=0或180時(shí)，即磁場(chǎng)H的方向與器件中電流I的方向平行時(shí)，不論方向一致或相反，器件的電阻率(記為)變?yōu)樽畲螅?90，即H與I相互垂直時(shí)，其電阻率(記為)變?yōu)樽钚?。目前?qiáng)磁性磁阻器件主要利用它的定向磁阻效應(yīng)。9.2磁敏電阻

如果把金屬在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)的初始電阻率用0表示，在平行于電流方向的磁場(chǎng)作用下所引起的電阻率增加量用表示(=0)，在垂直于電流方向的磁場(chǎng)作用下所引起的電阻率的減小量用表示(=0)，則總的變化量為=+，而/0反映材料對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度。含鎳80％～73％及鈷20％～27％的合金具有比一般強(qiáng)磁性金屬更大的/0值，常用來(lái)制作磁敏電阻。9.2磁敏電阻

強(qiáng)磁性磁敏電阻用真空鍍膜技術(shù)和光刻腐蝕工藝制成圖9-37(a)所示的三端器件。AB間及BC間幾何尺寸和阻值都一樣，但兩者的柵條方向成90o。若有磁場(chǎng)強(qiáng)度H按圖中方向平行紙面作用于該器件，且與AB間柵條平行，與BC間柵條垂直，則電阻RAB最大而RBC最小，這時(shí)按圖9-37(b)接成的分壓電路輸出電壓UO最低；若H的方向順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)=90，則RAB最小而RBC最大，輸出UO將最高。圖9-37強(qiáng)磁性金屬磁敏電阻結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路9.2磁敏電阻

不難推斷，若=±45，則H與兩種柵條的交角一樣，一定能使RAB=RBC，分壓輸出UO將為電源電壓1/2。以此時(shí)的輸出UO為初始電壓，將磁場(chǎng)方向、磁場(chǎng)強(qiáng)度H、輸出電壓變化量U三者畫成曲線，即圖9-38。圖中1—2—3—4—1形成環(huán)線，這是磁滯回線，可見(jiàn)在磁場(chǎng)強(qiáng)度HH，的范圍內(nèi)，U的大小與H的增減方向有關(guān)，有多值性(不確定性)，在此范圍內(nèi)不能應(yīng)用。當(dāng)H>H之后，磁滯回線重合，這時(shí)輸出電壓變化量U才和H、有確定關(guān)系。上述H稱為“可逆磁場(chǎng)強(qiáng)度”。在H<H<Hs的范圍內(nèi)，U仍然與H有關(guān)，只有當(dāng)H>Hs之后才成為水平直線，此時(shí)U與H無(wú)關(guān)而僅僅取決于，此處Hs稱為“飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度”。但H不能大于某一值H1。9.2磁敏電阻根據(jù)上述特點(diǎn)，若采用較強(qiáng)的磁場(chǎng)使得Hs<H<Hl，并且令磁場(chǎng)的方向平行于圖9-37的紙面旋轉(zhuǎn)，則分壓輸出UO將只取決于磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)角，運(yùn)用這一原理就能構(gòu)成無(wú)滑點(diǎn)的電位器。若磁場(chǎng)連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，則UO將呈正弦曲線變化，于是便可構(gòu)成正弦信號(hào)發(fā)生器或轉(zhuǎn)速傳感器。圖9-38金屬磁敏電阻特性9.2磁敏電阻9.2.4磁敏電阻傳感器的應(yīng)用

9.2.4.1磁敏電阻器件

磁敏電阻器件一般在襯底上作兩個(gè)相互串聯(lián)的磁敏電阻，或四個(gè)磁敏電阻接成電橋形式，以便用于不同場(chǎng)合，其線路形式如圖9-39所示。圖9-39磁敏電阻線路結(jié)構(gòu)

磁敏電阻的阻值為100到幾k，工作電壓一般在12V以下，頻率特性好(可達(dá)MHz)，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低(信噪比高)。9.2磁敏電阻1.MR214A/223A磁敏電阻的電阻值為100到幾k，工作電壓一般在12V以下，頻率特性好(可達(dá)MHz)，動(dòng)態(tài)范圍寬，噪聲低(信噪比高)。圖9-40MR214A/223A外形及等效電路9.2磁敏電阻2．DMI106B(索尼)

DMI106B是在硅基板上附著強(qiáng)磁性體，其外形及等效電路如圖9-41所示。圖9－41DM106B的外形及等效電路

9.2磁敏電阻

DMI106B在8000A/m磁場(chǎng)強(qiáng)度下工作，應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)Ucc=5V時(shí)，輸出可達(dá)80mV，功耗11W，其溫度特性如圖9-42所示。特性參數(shù)見(jiàn)教材表9-8。圖9－42DM106B的溫度特性9.2磁敏電阻3．FPC/FPA系列

FPC/FPA(田村)系列內(nèi)部有放大器、整形電路(FPA并有發(fā)光二極管作工作狀態(tài)指示)，其特點(diǎn)是信噪比高，具有良好的頻率特性，可用于位置、旋轉(zhuǎn)速度的檢出，也可作接近開(kāi)關(guān)。其輸出電壓與間隙特性如圖9-43所示。它們的特性參數(shù)見(jiàn)教材表9-9。圖9－43FPC/FPA系列輸出電壓與間隙特性9.2磁敏電阻4．M413A/414A

M413A/414A是由四個(gè)磁阻元件組成的器件，有兩相輸出，可測(cè)出旋轉(zhuǎn)方向、角度等參數(shù)，其元件配置、外形及等效電路如圖9-44所示。圖9－44M413A/414A元件配置、外形及等效電路9.2磁敏電阻M413A/414A接線與輸出波形如圖9-45所示。圖9－45M413A/414A接線及輸出波形圖9.2磁敏電阻5．BS系列

BS系列(圖形識(shí)別傳感器)磁阻元件除用來(lái)檢測(cè)磁性體的位置及旋轉(zhuǎn)外，主要用于紙幣識(shí)別及磁性墨水印刷物識(shí)別等。在元件表面采用特殊金屬層，具有良好的耐磨性。識(shí)別紙幣的波形如圖9-46(a)所示，如經(jīng)過(guò)有磁性油墨印刷的“1000”字樣時(shí)，輸出信號(hào)很大，若是偽幣則無(wú)此信號(hào)。這種傳感器同樣可檢測(cè)用磁性墨水印刷的標(biāo)簽和磁尺上的信號(hào)。它的外形如圖9-46(b)，特性參數(shù)見(jiàn)教材表9-10。圖9－46BS外形及紙幣真?zhèn)巫R(shí)別輸出波形9.2磁敏電阻9.2.4.2應(yīng)用買例

1.非接觸式磁阻角度傳感器非接觸式角度傳感器的外形及工作原理如圖9-47所示。它是由兩個(gè)半環(huán)形的磁阻元件組成，半圓形磁鐵與磁阻元件之間的間隙為0.2mm左右，當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁鐵則以差動(dòng)方式將磁場(chǎng)加于兩個(gè)磁阻元件上，可獲得±50(機(jī)械角度)的線性范圍。其輸出電壓與轉(zhuǎn)角間特性如圖9-48所示。圖9-47角度傳感器的外形及工作原理圖圖9-48角度傳感器輸出特性9.2磁敏電阻

這種非接觸式磁阻角度傳感器由于沒(méi)有機(jī)械摩擦，所以工作壽命長(zhǎng)；裝置上安裝了滾珠軸承，轉(zhuǎn)動(dòng)損耗也較小。這種傳感器的輸出電壓為

由圖9-48可以看出，其輸出電壓較大，在100范圍內(nèi)，輸出線性電壓大于2V。9.2磁敏電阻

2．磁阻式旋轉(zhuǎn)傳感器

磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器可以檢測(cè)磁性齒軸、齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)或轉(zhuǎn)速，若采用四磁阻元件傳感器，還能檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的方向。

采用雙元件磁阻旋轉(zhuǎn)傳感器的工作原理如圖9-49所示。當(dāng)齒輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)MRl，而齒根對(duì)準(zhǔn)MR2時(shí)，MRl的電阻增加，而MR2的電阻不變，則UoutUin/2；另外，當(dāng)齒輪的齒頂對(duì)準(zhǔn)MR2，而齒根對(duì)準(zhǔn)MRl時(shí)，則Uout

Uin/2；當(dāng)齒頂(或齒根)在MRl和MR2之間時(shí)，Uout

Uin/2，其輸出電壓波形見(jiàn)圖9-49。圖9-49旋轉(zhuǎn)傳感器的工作原理

9.2磁敏電阻

采用四元件磁阻傳感器時(shí)，傳感器內(nèi)磁阻元件與齒輪齒間間隔之間應(yīng)滿足一定關(guān)系，如圖9-50所示。

PA(12)=PB(12)=T/2；PAB=T/4式中，PA(12)—A相元件MRAl和MRA2的間隔；PB(12)—B相元件MRBl和MRB2的間隔；PAB—A相元件MRAl和B相元件MRBl的間隔；T—齒輪的齒距。

圖9-50內(nèi)磁阻元件旋轉(zhuǎn)傳感器(a)電路圖；(b)圖形圖由于A相與B相輸出波形相位差90，所以很容易檢測(cè)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)范圍很寬，很適用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。9.2磁敏電阻

3．磁阻式圖形識(shí)別傳感器

圖形識(shí)別傳感器能檢測(cè)紙片、紙幣等上面的磁性圖形或記號(hào)，輸出相對(duì)應(yīng)于圖形的信號(hào)波形。由于磁性圖形印刷在紙片上，所以檢測(cè)信號(hào)十分微弱(比旋轉(zhuǎn)傳感器小三個(gè)數(shù)量級(jí))，需經(jīng)過(guò)放大電路放大(如圖9-51所示)，由示波器或記錄儀將波形顯示出來(lái)。圖9－51圖形識(shí)別傳感器放大電路9.3結(jié)型磁敏管

磁敏二極管和磁敏三極管(結(jié)型磁敏管)是長(zhǎng)“基區(qū)”PN結(jié)型磁電轉(zhuǎn)換元件，它們具有輸出信號(hào)大、靈敏度高(比霍爾元件大2～3個(gè)數(shù)量級(jí))、工作電流小和體積小等特點(diǎn)，比較適合于磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)速、探傷等方面的檢測(cè)和控制。9.3結(jié)型磁敏管9.3.1磁敏二極管9.3.1.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)

普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二極管的PN結(jié)有很長(zhǎng)的基區(qū)，為載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的5倍以上，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二極管用＝40·cm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的＝50·cm)，在它的兩端有P型和N型鍺并引出，若以i代表長(zhǎng)基區(qū)，則其PN結(jié)實(shí)際上是由Pi結(jié)和iN結(jié)共同組成的P+—i—N+結(jié)型。在長(zhǎng)基區(qū)i的一個(gè)側(cè)面通過(guò)噴砂法破壞晶格表面使之形成復(fù)合速率很高薄層毛面—高復(fù)合區(qū)r，在其相對(duì)側(cè)面是光滑的低復(fù)合表面。磁敏二極管結(jié)構(gòu)如圖9-52(a)所示。圖9-52磁敏二極管結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

9.3結(jié)型磁敏管9.3.1.2磁敏二極管的工作原理

當(dāng)磁敏二極管未受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)，外加正偏壓(P區(qū)為正)，則有大量的空穴(小圓圈代替)從P區(qū)通過(guò)i區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子(小黑點(diǎn)代替)注入P區(qū)，這樣形成電流，見(jiàn)圖9-52(b)。只有少量電子和空穴在i區(qū)復(fù)合掉。當(dāng)磁敏二極管受到垂直于紙面向內(nèi)磁場(chǎng)B+作用時(shí)，如圖9-52(c)所示，則電子和空穴受到洛倫茲力的作用而向高復(fù)合區(qū)r面偏轉(zhuǎn)。這樣一來(lái)載流子復(fù)合速率增大了，空穴和電子一旦復(fù)合就失去導(dǎo)電作用，意味著基區(qū)的等效電阻增大，電流減小。反之，在垂直于紙面向外的反向磁場(chǎng)B的作用下，電子、空穴受洛倫茲力作用而向低復(fù)合面偏轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖9-52(d)，由于空穴、電子的復(fù)合速率明顯變小，i區(qū)的等效電阻減小，電流變大。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。若在磁敏二極管上加反向偏壓(P區(qū)的負(fù))，則僅有很微小的電流流過(guò)，并且?guī)缀跖c磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因此，該器件僅能在正向偏壓下工作。9.3結(jié)型磁敏管9.3.1.3磁敏二極管的主要特性

1．磁敏二極管的正向伏安特性

磁敏二極管的伏安特性如圖9-53所示。圖9-53磁敏二極管的伏安特性(a)鍺管；(b)硅管，俘獲中心作用強(qiáng)；(c)硅管，俘獲中心作用弱9.3結(jié)型磁敏管

2．磁敏二極管的磁電特性

在給定條件下，磁敏二極管輸出電壓變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系稱為磁敏二極管的磁電特性。磁敏二極管通常有單只使用和互補(bǔ)使用兩種方式(見(jiàn)圖9-54(a)和圖9-55)。單只使用時(shí)，正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度；互補(bǔ)使用時(shí)，正、反向磁靈敏度曲線對(duì)稱，且在弱磁場(chǎng)(0～0.1T)下有較好的線性，見(jiàn)圖9-54(c)。圖9-54磁敏二極管靈敏度測(cè)試9.3結(jié)型磁敏管

磁靈敏度是磁敏二極管的主要性能參數(shù)，根據(jù)使用情況不同，磁靈敏度有多種定義方法，這里介紹實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法：在一定的偏壓源E和負(fù)載電阻RL下，在磁感強(qiáng)度變化量為B=0.1T(即從B=0開(kāi)始，可正、負(fù)變化0.1T)時(shí)，輸出電壓或偏流的相對(duì)變化稱為相對(duì)電壓靈敏度KU或相對(duì)電流靈敏度KI，即為方便起見(jiàn)，習(xí)慣上用絕對(duì)靈敏度U+和U表示

測(cè)試電路如圖9-54(a)所示。其測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)條件：Ge磁敏二極管，E=9V，RL=3k；Si磁敏二極管，E=15V，RL=2k，或E=21V，RL=3k。9.3結(jié)型磁敏管

3．磁敏二極管的溫度特性及其補(bǔ)償

輸出電壓的溫度系數(shù)與磁靈敏度溫度系數(shù)：

Ge管，60mV/℃(0～40℃)；1％/℃；工作溫度60℃；Si管，10mV/℃(20～120℃)；0.6％/℃；工作溫度可高于120℃；

為了補(bǔ)償磁敏二極管的溫漂，可選擇二只或四只特性一致的器件，讓它們處在相反磁極下，組成互補(bǔ)式、差分式電路，如圖9-55所示。圖9-55磁敏二極管的溫度補(bǔ)償電路9.3結(jié)型磁敏管

4．頻率特性

磁敏二極管的頻率特性由注入載流子在“基區(qū)”被復(fù)合和保持動(dòng)態(tài)平衡的弛豫時(shí)間所決定。因?yàn)榘雽?dǎo)體的弛豫時(shí)間很短，所以有較高的響應(yīng)頻率。磁靈敏度截止頻率：Ge管，2kHz，Si管，可達(dá)100kHz。9.3結(jié)型磁敏管9.3.2磁敏三極管

9.3.2.1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)

硅磁敏三極管和鍺磁敏三極管均屬雙極性長(zhǎng)基區(qū)晶體管結(jié)構(gòu)，如圖9-56(a)所示。在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體(高阻半導(dǎo)體)上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極。其基區(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，在發(fā)射極e和基極b之間的PN結(jié)長(zhǎng)基區(qū)也制作有高復(fù)合區(qū)r(對(duì)鍺管)。9.3結(jié)型磁敏管圖9-56磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理

9.3結(jié)型磁敏管9.3.2.2磁敏三極管的工作原理

以鍺磁敏三極管為例說(shuō)明其工作原理。鍺磁敏三極管的基區(qū)可以分為兩個(gè)：從發(fā)射極注入的載流子輸運(yùn)到集電極的輸運(yùn)基區(qū)；使從發(fā)射極和基極注入的載流子復(fù)合的復(fù)合基區(qū)。當(dāng)磁敏三極管未受到磁場(chǎng)作用時(shí)，如圖9-56(c)，be間加一定的偏壓后，發(fā)射結(jié)的載流子分別飛向兩個(gè)基區(qū)。由于基區(qū)長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過(guò)e-i-b形成基極電流；少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成了共發(fā)射極直流電流增益Ic/Ib1。當(dāng)處于共發(fā)射極偏置情況下的磁敏三極管受到正向磁場(chǎng)B作用時(shí)，由于磁場(chǎng)的洛倫茲力作用，載流子向復(fù)合區(qū)偏轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖9-56(d)，導(dǎo)致集電極電流顯著下降；同理，加反向磁場(chǎng)B時(shí)，載流子背離高復(fù)合區(qū)而偏向輸運(yùn)基區(qū)，見(jiàn)圖9-56(e)，使集電極電流增加?？梢?jiàn)，即使基極電流Ib恒定，外加磁場(chǎng)變化可以改變集電極電流Ic，這是和普通三極管不同之處。這樣，可以利用磁敏三極管來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。9.3結(jié)型磁敏管9.3.2.3磁敏三極管的主要特性

1.磁敏三極管的伏安特性

磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。圖9-57(a)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)，磁敏三極管的伏安特性曲線；圖9-57(b)是磁場(chǎng)為0.1T(kGs)、基極電流為3mA時(shí)的伏安特性曲線。由該圖可知，磁敏三極管的電流放大倍數(shù)小于1，但其集電極電流有很高的磁靈敏度。圖9-57磁敏三極管的伏安特性曲線

9.3結(jié)型磁敏管

2．磁敏三極管的磁電特性

磁敏三極管的磁電特性是在給定條件下，集電極電流的變化與外加磁場(chǎng)的關(guān)系，常用磁靈敏度表示，它是磁敏三極管應(yīng)用的基礎(chǔ)。國(guó)產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管的磁電特性，在弱磁場(chǎng)(0.2T內(nèi))作用下，接近線性，見(jiàn)圖9-58。圖9-583BCM的磁電特性