第8章磁電式傳感器

第8章磁電式傳感器8.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理8.2霍爾集成電路8.3霍爾傳感器的應(yīng)用

廣東技術(shù)師范學(xué)院

傳感技術(shù)與信號(hào)處理

第8章1學(xué)習(xí)本課程所需的預(yù)備知識(shí)。

物理、電工基礎(chǔ)、電子測(cè)量技術(shù)、電子線路。教學(xué)提要（重難點(diǎn)）、課程內(nèi)容、教學(xué)要求、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)和電流測(cè)量的，目前使用的基本是霍爾集成電路，所以霍爾效應(yīng)和霍爾集成電路是本章的重點(diǎn)內(nèi)容。教材從霍爾效應(yīng)開始，介紹了霍爾效應(yīng)，霍爾元件的主要參數(shù)以及霍爾集成電路。最后介紹了霍爾傳感器的應(yīng)用。

2一千多年前，中國人就發(fā)明了指南針，用于指示地球磁場(chǎng)的方向，但指南針卻較難指示出磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，這成了磁場(chǎng)檢測(cè)的一個(gè)難題。1879年，美國物理學(xué)家霍爾經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：如果讓一恒定電流通過一金屬薄片，并將薄片置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，在金屬薄片的另外兩側(cè)將產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)現(xiàn)象后來被人們稱為霍爾效應(yīng)。但是由于這種效應(yīng)在金屬中非常微弱，1948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，并制成了砷化鎵、銻化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。用霍爾元件做成的傳感器稱為霍爾傳感器。它們被廣泛應(yīng)用于弱電流、弱磁場(chǎng)及微小位移的測(cè)量。3半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，如圖所示。當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，上述半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。cdab8.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理4原理簡(jiǎn)述如下：假設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體元件(載流子為電子)，當(dāng)沿著a，b通入控制電流Ι時(shí)，電子首先沿著與Ι相反的方向產(chǎn)生一個(gè)初速度νo。同時(shí)，由于霍爾元件處于磁場(chǎng)B中，會(huì)受到洛倫茲力FL的作用，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)并形成電子堆積，從而在霍爾元件的c，d方向產(chǎn)生電場(chǎng)，電子積累得越多，F(xiàn)E也越大，隨后，電子又會(huì)在該電場(chǎng)中受電場(chǎng)力FE的作用，這兩種力方向相反。當(dāng)兩力大小相等時(shí)，電子的堆積便達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這樣，就在半導(dǎo)體c，d方向的端面之間形成了穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì)EH，即霍爾電勢(shì)。5磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab6磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KH

IB7設(shè)半導(dǎo)體霍爾元件的厚度為δ，電子濃度為n，電子電荷量為e，則霍爾電勢(shì)EH可以用下式表示EH=KHBΙ式中,KH=1/neδ稱為霍爾電勢(shì)靈敏系數(shù)。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成一角度θ時(shí)，霍爾電勢(shì)為EH=KHBΙcosθ如果圖中選用的霍爾元件是P型而不是N型半導(dǎo)體材料，則參加導(dǎo)電的載流子是空穴，則式中KH=1/Ρeδ,Ρ為空穴濃度。結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。因此霍爾傳感器能用于測(cè)量靜態(tài)磁場(chǎng)或交變磁場(chǎng)。

81.霍爾元件特性參數(shù)1).輸入電阻Ri:霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾電動(dòng)勢(shì)變化。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。2).輸出電阻RO:兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數(shù)值與輸入電阻同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電動(dòng)勢(shì)的漂移減至最小。3).最大激勵(lì)電流Ιm:由于霍爾電動(dòng)勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至幾十毫安。94).最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm:磁感應(yīng)強(qiáng)度超過Bm時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，Bm的數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。5).不等位電勢(shì):在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢(shì)，它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)引起的誤差。線性區(qū)102.霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì)，而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的，因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒ā７治霾坏任浑妱?shì)時(shí)，可以把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，用分析電橋平衡來補(bǔ)償不等位電勢(shì)。圖為霍爾元件的等效電路，其中A、B為霍爾電極，C、D為激勵(lì)電極，電極分布電阻分別用r1、r2、r3、r4表示，把它們看作電橋的四個(gè)橋臂。理想情況下，電極A、B處于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，電橋平衡，不等位電勢(shì)U0為0。實(shí)際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個(gè)電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢(shì)不等于零。此時(shí)可根據(jù)A、B兩點(diǎn)電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢(shì)為零。11幾種補(bǔ)償線路如圖所示。圖（a）、（b）為常見的補(bǔ)償電路，圖（b）、（c）相當(dāng)于在等效電橋的兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻，圖（d）用于交流供電的情況。128.2霍爾集成電路

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾器件多已集成化?；魻柤呻娐?又稱霍爾IC)有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對(duì)電源穩(wěn)定性要求低等?；魻柤呻娐房煞譃榫€性型和開關(guān)型兩大類。前者是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性霍爾器件如UGN3501等。

線性型三端霍爾集成電路13線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。

請(qǐng)畫出線性范圍14圖是UGN3501T的外形及內(nèi)部電路框圖，以及輸出電壓與磁場(chǎng)的關(guān)系(輸出特性)曲線。15圖示出具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件UGN3501M的外形、內(nèi)部電路框圖。當(dāng)其感受的磁場(chǎng)為零時(shí)，第1腳相對(duì)于第8腳的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向(磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)3501M的正面)時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)為反向時(shí)，輸出為負(fù)，因此使用起來更加方便。16開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(集電極開路輸出門)等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。這類器件中較典型的有UGN3020、；3022等。開關(guān)型霍爾集成電路17開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件18開關(guān)型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線

請(qǐng)按以下電路，將下一頁中的有關(guān)元件連接起來.19霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVAC20VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL21開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？22?238.3霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于Ι、Β、θ三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHΙΒcosθ，利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量、其余兩個(gè)量都作為變量。三個(gè)變量的多種組合使得霍爾傳感器具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。歸納起來，霍爾傳感器主要有下列三個(gè)方面的用途：1)維持Ι、θ不變，則EH=f(Β)，這方面的應(yīng)用有：測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測(cè)量原理的霍爾式加速度計(jì)、微壓力計(jì)等。2)維持Ι、Β不變，則EH=f(θ)，這方面的應(yīng)用有角位移測(cè)量?jī)x等。3)維持θ不變，則EH=f(ΙΒ)，即傳感器的輸出EH與Ι、Β的乘積成正比，這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾式功率計(jì)等。24霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)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)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵25霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。26霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾27霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)?；魻栐盆F28霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。

汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭29霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無磨損、點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確、高速時(shí)動(dòng)力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖

1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）

a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系

30霍爾式無觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置(續(xù)）

當(dāng)葉片遮擋在霍爾IC面前時(shí)，PNP型霍爾IC的輸出為低電平，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。汽車電子點(diǎn)火電路及波形

1—點(diǎn)火開關(guān)2—達(dá)林頓晶體管功率開關(guān)3—點(diǎn)火線圈低壓側(cè)4—點(diǎn)火線圈鐵心5—點(diǎn)火線圈高壓側(cè)6—分火頭7—火花塞

a）電路b）霍爾IC及點(diǎn)火線圈高壓側(cè)輸出波形

31汽車電子點(diǎn)火裝置使用的

點(diǎn)火控制器、霍爾傳感器及點(diǎn)火總成磁鐵點(diǎn)火總成32霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器33無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

電動(dòng)自行車可充電電池組無刷電動(dòng)機(jī)34電動(dòng)自行車的無刷電動(dòng)機(jī)及控制電路

去速度控制器

利用PWM調(diào)速35光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)36霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。37霍爾式接近開關(guān)

用霍爾IC也能完成接近開關(guān)的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。38霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示

在圖中，磁鐵和霍爾IC保持一定的間隙、均固定不動(dòng)。軟鐵制作的分流翼片與運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)動(dòng)。當(dāng)它移動(dòng)到磁鐵與霍爾IC之間時(shí)，磁力線被屏蔽（分流），無法到達(dá)霍爾IC，所以此時(shí)霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?。改變分流翼片的寬度可以改變霍爾IC的高電平與低電平的占空比。分流翼片的轉(zhuǎn)速n＝60f/z，圖中的z＝4。n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT39霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。40霍爾電流傳感器演示鐵心

線性霍爾IC

EH=KHIB

I所實(shí)現(xiàn)的多媒體界面：I41其他霍爾電流傳感器42其他霍爾電流傳感器（續(xù)）43霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口44霍爾鉗形電流表演示直流200A量程被測(cè)電流的導(dǎo)線未放入鐵心時(shí)示值為零70.9A45鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A46霍爾鉗形電流表的使用被測(cè)電流的導(dǎo)線從此處穿入鉗形表的環(huán)形鐵心手指按下此處，將鉗形表的鐵心張開將被測(cè)電流導(dǎo)線逐根夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中將空調(diào)電源的“三芯護(hù)套線”夾到鉗形表的環(huán)形鐵心中，鉗形表的示值為多少？為什么？47霍爾鉗形電流表的使用（續(xù)）

叉形鉗形表漏磁稍大，但使用方便用鉗形表測(cè)量電動(dòng)機(jī)的相電流48霍爾式電流諧波分析儀

被測(cè)電流的諧波頻譜鐵心的開合縫隙

鐵心的杠桿壓舌49

二、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。它們具有磁靈敏度高（磁靈敏度比霍耳元件高數(shù)百甚至數(shù)千倍）；能識(shí)別磁場(chǎng)的極性；體積小、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而正日益得到重視；并在檢測(cè)、控制等方面得到普遍應(yīng)用。

50（一）磁敏二極管的工作原理和主要特性

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(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。與普通二極管區(qū)別：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，磁敏二級(jí)管的PN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級(jí)管用ρ=40Ω?cm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的ρ=50Ω?cm)，在它的兩端有P型和N型鍺，并引出，若γ代表長(zhǎng)基區(qū)，則其PN結(jié)實(shí)際上是由Pγ結(jié)和Nγ結(jié)共同組成。以2ACM—1A為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P+—i—N+型。51+（b）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu);(b)電路符號(hào)H+H-N+區(qū)p+區(qū)i區(qū)r區(qū)電流（a）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，并在本征區(qū)（i）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(r區(qū))，而與r區(qū)相對(duì)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。52PNPNPNH=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(chǎng)的不同而不同。為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢?下面作一下分析。（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(chǎng)的變化，iii電子孔穴復(fù)合區(qū)53結(jié)論：隨著磁場(chǎng)大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化、特別是在較弱的磁場(chǎng)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(chǎng)無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。54

2．磁敏二極管的主要特征（1）伏安特性

在給定磁場(chǎng)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）圖2.6-29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-0.2T00055由圖可見硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式。一種如圖2.6-29（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(dòng)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(huì)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。

56

（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(chǎng)間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。圖2.6-30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=12V（18V）Td=20℃（a）（b）ΔU/VΔU/V圖2.6-30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。57

（3）溫度特性溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓變化量（或無磁場(chǎng)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))ΔU58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(cè)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℃。59（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(dòng)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鍺磁敏三極管頻率特性f/kHz60(2.6-26)(2.6-27)5）磁靈敏度

磁敏二極管的磁靈敏度有三種定義方法：（a）在恒流條件下，偏壓隨磁場(chǎng)而變化的電壓相對(duì)磁靈敏度（hu），即：

u0—磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，二極管兩端的電壓；uB—磁場(chǎng)強(qiáng)度為B時(shí)，二極管兩端的電壓。(b)在恒壓條件下，偏流隨磁場(chǎng)變化的電流相對(duì)磁靈敏度（hi），即：61(c)

在給定電壓源E和負(fù)載電阻R的條件下，電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度定義如下：

應(yīng)特別注意，如果使用磁敏二極管時(shí)的情況和元件出廠的測(cè)試條件不一致時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試其靈敏度。62（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(hào)a)結(jié)構(gòu)b)符號(hào)rN+N+ceH-H+P+bceba）b）件,如圖。在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)合區(qū)r。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部。i63（2）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）圖2.6-34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)1264當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖2.6-34(a)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(zhǎng)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(chǎng)作用如圖2.6-34（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(chǎng)使用如圖2.6-34(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。65/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圖2.6-35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2.6-35(b)給出了磁敏三極管在基極恒流條件下（Ib=3mA）、磁場(chǎng)為0.1T時(shí)的集電極電流的變化；圖2.6-35(a)則為不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。66（2）磁電特性磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM（NPN型）鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖2.6-36所示。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3圖2.6-363BCM磁敏三極管電磁特性由圖可見，在弱磁場(chǎng)作用時(shí)，曲線近似于一條直線。67

(3)溫度特性

磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的。3ACM、3BCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為0.8％／℃；3CCM磁敏三極管的溫度系數(shù)為-0.6％／℃。3BCM的溫度特性曲線如圖2.6-37所示。圖2.6-373BCM磁敏三極管的溫度特性(a)基極電源恒壓(b)基極恒流(a)-20020401.20.80.4

1.660B=0B=－0.1TB=0.1TT/℃基極電源恒壓Vb=5.7VIC/mA基極恒流Ib=2mAB=01.20.80.4-20020401.680B=－0.1TB=0.1TT/℃(b)IC/mA68溫度系數(shù)有兩種：一種是靜態(tài)集電極電流Ic0的溫度系數(shù)；一種是磁靈敏度的溫度系數(shù)。在使用溫度t1～t2范圍Ic0的改變量與常溫（比如25℃）時(shí)的Ic0之比，平均每度的相對(duì)變化量被定義為Ic0的溫度系數(shù)Ic0CT，即：

同樣，在使用溫度t1～t2范圍內(nèi)，的改變量與25℃時(shí)的值之比，平均每度的相對(duì)變化量被定義為的溫度系數(shù)

：(2.6-30)69對(duì)于3BCM磁敏三極管，當(dāng)采用補(bǔ)償措施時(shí)，其正向靈敏度受溫度影響不大。而負(fù)向靈敏度受溫度影響比較大，主要表現(xiàn)為有相當(dāng)大一部分器件存在著一個(gè)無靈敏度的溫度點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)的位置由所加基流（無磁場(chǎng)作用時(shí)）Ib0的大小決定。當(dāng)Ib0>4mA時(shí)，此無靈敏度溫度點(diǎn)處于+40℃左右。當(dāng)溫度超過此點(diǎn)時(shí)，負(fù)向靈敏度也變?yōu)檎蜢`敏度，即不論對(duì)正、負(fù)向磁場(chǎng)，集電極電流都發(fā)生同樣性質(zhì)變化。因此，減小基極電流，無靈敏度的溫度點(diǎn)將向較高溫度方向移動(dòng)。當(dāng)Ib0=2mA時(shí)，此溫度點(diǎn)可達(dá)50℃左右。但另一方面，若Ib0過小，則會(huì)影響磁靈敏度。所以，當(dāng)需要同時(shí)使用正負(fù)靈敏度時(shí)，溫度要選在無靈敏度溫度點(diǎn)以下。70（5）磁靈敏度磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度和負(fù)向靈敏度兩種。其定義如下：

式中—受正向磁場(chǎng)B+作用時(shí)的集電極電流；—受反向磁場(chǎng)B-作用時(shí)的集電極電流；—不受磁場(chǎng)作用時(shí)，在給定基流情況下的集電極輸出電流。（4）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10kHz。

(2.6-32)71（三）磁敏二極管和磁敏三極管的應(yīng)用

由于磁敏管有效高的磁靈敏度，體積和功耗都很小，且能識(shí)別磁極性等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件，它有著廣泛的應(yīng)用前景。利用磁敏管可以作成磁場(chǎng)探測(cè)儀器—如高斯計(jì)、漏磁測(cè)量?jī)x、地磁測(cè)量?jī)x等。用磁敏管作成的磁場(chǎng)探測(cè)儀，可測(cè)量10-7T左右的弱磁場(chǎng)。根據(jù)通電導(dǎo)線周圍具有磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱又取決于通電導(dǎo)線中電流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接觸方法來測(cè)量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來檢測(cè)磁場(chǎng)還可確定導(dǎo)線中電流值大小，既安全又省電，因此是一種備受歡迎的電流表。此外,利用磁敏管還可制成轉(zhuǎn)速傳感器(能測(cè)高達(dá)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。72（四）、常用磁敏管的型號(hào)和參數(shù)

3BCM型鍺磁敏三極管參數(shù)表參數(shù)單位測(cè)試條件規(guī)范ABCDE磁靈敏度%Ec=6V,RL=100Ω,Ib=2mA,B=0.1T5~1010~1515~2020~25>25擊穿電壓BUccoVIc=1.5mA2020252525漏電流Icc0Vcs=6A≤200≤200≤200≤200≤200最大基極電流mAEc=6VRL=5kΩ4功耗PcmmW

45使用溫度℃

-40~65℃最高溫度℃

75mA733CCM型硅磁敏三極管參數(shù)表

參數(shù)單位測(cè)試條件規(guī)范磁靈敏度%Ec=6VIb=3mAB=0.1T>5%擊穿電壓BUccoVIc=10≥20V漏電流Icc0Ice=6A≤5功耗mW

20mW使用溫度℃

-40~85℃最高溫度℃

100℃溫度系數(shù)%/℃

-0.10~-0.25%/℃74三、磁敏電阻

是一種電阻隨磁場(chǎng)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(chǎng)，則其電阻值就變化。稱此種現(xiàn)象為磁致電阻變化效應(yīng)，簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng)。75在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)的作用而加長(zhǎng)，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。76當(dāng)材料中僅存在一種載流子時(shí)磁阻效應(yīng)幾乎可以忽略，此時(shí)霍耳效應(yīng)更為強(qiáng)烈。若在電子和空穴都存在的材料（如InSb）中，則磁阻效應(yīng)很強(qiáng)。磁阻效應(yīng)還與樣品的形狀、尺寸密切相關(guān)。這種與樣品形狀、尺寸有關(guān)的磁阻效應(yīng)稱為磁阻效應(yīng)的幾何磁阻效應(yīng)。長(zhǎng)方形磁阻器件只有在L(長(zhǎng)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(huì)零磁場(chǎng)電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。77圖（a）是沒有柵格的情況，電流只在電極附近偏轉(zhuǎn)，電阻增加很小。在L>W長(zhǎng)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(shì)，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(chǎng)電阻值、又提