磁敏傳感器ysliu資料

磁敏傳感器ysliu資料第1頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/212問(wèn)題1、什么是霍爾效應(yīng)，用它來(lái)干什么？2、霍爾元件怎么使用才能起作用?提供何種激勵(lì)，讀取什么輸出？3、霍爾集成電路和霍爾元件使用上的區(qū)別？4、霍爾元件的偏置電路和驅(qū)動(dòng)電路的作用？4、圖4-32、圖4-11、圖4-35第2頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/213磁敏傳感器定義：將磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。單位：1T（特斯拉）=10000Gs（高斯）地磁場(chǎng)：5*10E-5T心臟電磁場(chǎng)：10E-11T腦電波：10E-13T電動(dòng)機(jī)：10E1T第3頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/214磁敏傳感器的分類霍爾元件磁敏二極管磁敏三極管（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)）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。第4頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/215第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

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，當(dāng)有電流I流過(guò)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)。

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab第5頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/216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=KHIB第6頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/217霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab第7頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/218磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

EH=KHIBcos

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)。

第8頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/219初步的結(jié)論1、霍爾元件能干什么？-----檢測(cè)磁場(chǎng)、檢測(cè)磁場(chǎng)方向？2、霍爾元件要工作的要素——1）有磁場(chǎng)

2）有電流

3）讀電壓第9頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2110霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵第10頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2111霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無(wú)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低壓電源輸入接頭第11頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2112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線性霍爾磁鐵第12頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2113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F第13頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2114ABCDR1R2R3R4(c)等效電路霍爾元件基本結(jié)構(gòu)第14頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2115霍耳輸出端的端子2、2′相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子1、1′相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。第15頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2116霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是多少？線性區(qū)第16頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2117霍爾元件的特性1.特性:開關(guān)型和線性型2.材料：主要為砷化鎵（GaAs）3.特點(diǎn)：溫度系數(shù)小，線性好第17頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2118霍爾元件的偏置電路1、沒有外接電阻的電路-用于輸入電阻Ri較大的電路，采用恒壓驅(qū)動(dòng)電路2、電源正端接電阻的電路-用于Ri較小的電路，采用恒流驅(qū)動(dòng)3、電源負(fù)端接電阻的電路-用于Ri較小的電路，采用恒流驅(qū)動(dòng)第18頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2119霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）

最大激勵(lì)電流IM:

由于霍爾電勢(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)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個(gè)激勵(lì)電流的數(shù)值較為妥當(dāng)？5μA0.1mA2mA80mA

第19頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2120控制電流I；霍耳電勢(shì)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(chǎng)B垂直通過(guò)霍耳器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)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20頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2121第二節(jié)霍爾集成電路

霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類。

線性型集成電路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。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。

線性型三端霍爾集成電路第21頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2122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)畫出線性范圍第22頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2123開關(guān)型霍爾集成電路

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(guò)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。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。第23頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2124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Vcc輸出VoutR=2kΩ+12V123

應(yīng)用電路第24頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2125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(yè)中的有關(guān)元件連接起來(lái).第25頁(yè)/共86頁(yè)?第26頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2127開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

BH

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？BRPBOP第27頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2128RLVACVccVccVAC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第28頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2129VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL第29頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/21301．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(chǎng)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(chǎng)時(shí),霍耳元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍耳電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。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(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；舳_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(duì)外加磁場(chǎng)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(chǎng)、電流等的測(cè)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?；舳€性集成傳感器第30頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2131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(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，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(dòng)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31頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2132

第三節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。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。這使得霍爾傳感器有許多用途。

利用霍耳電勢(shì)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(duì)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(cè)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(dòng)計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等。第32頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2133

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(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。

(2)無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，無(wú)摩擦熱，噪聲小。

(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，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(dòng)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33頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2134霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值第34頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2135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線性霍爾磁鐵第35頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2136霍爾特斯拉計(jì)霍爾元件第36頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2137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(guò)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。第37頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2138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(lái)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)霍爾第38頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2139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F第39頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2140霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置

采用霍爾式無(wú)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低壓電源輸入接頭第40頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2141霍爾式無(wú)觸點(diǎn)汽車電子點(diǎn)火裝置工作原理

采用霍爾式無(wú)觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置無(wú)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

第41頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2142霍爾式無(wú)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(guò)，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

當(dāng)葉片槽口轉(zhuǎn)到霍爾IC面前時(shí)，霍爾IC輸出跳變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相變?yōu)榈碗娖剑_(dá)林頓管截止，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場(chǎng)能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。

第42頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2143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)火總成第43頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2144霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)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(lái)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第44頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2145無(wú)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(wú)刷電動(dòng)機(jī)第45頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2146無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用

無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無(wú)火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。第46頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2147電動(dòng)自行車的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)及控制電路

去速度控制器

利用PWM調(diào)速第47頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2148光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)第48頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2149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。第49頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2150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)。

在右圖中，當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，控制運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。第50頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2151霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測(cè)量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT第51頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2152霍爾電流傳感器

將被測(cè)電流的導(dǎo)線穿過(guò)霍爾電流傳感器的檢測(cè)孔。當(dāng)有電流通過(guò)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(guò)霍爾元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍爾電壓。第52頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2153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：I第53頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2154其他霍爾電流傳感器第54頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2155其他霍爾電流傳感器（續(xù)）第55頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2156霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口第56頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2157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)示值為零70.9A第57頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2158鉗形表的環(huán)形鐵心可以張開，導(dǎo)線由此穿過(guò)霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示霍爾鉗形電流表演示70.9A第58頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2159

霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度,有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量,也在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。下圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵,同極性相對(duì)地放置,霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)UH也等于零,此時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移,霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變,這時(shí)UH不為零,其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量,這種結(jié)構(gòu)的傳感器,其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm,分辨率為0.001mm。第59頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2160第60頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2161

霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件,能感受到很小的磁場(chǎng)變化,因而可對(duì)黑色金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。下圖是對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖當(dāng)鋼球通過(guò)霍爾開關(guān)傳感器時(shí),傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓,該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A（μA741）放大后,驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管VT（2N5812）工作,VT輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),并由顯示器顯示檢測(cè)數(shù)值。第61頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2162第62頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2163

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(lái)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。

第63頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2164（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。第64頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2165+（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(wú)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65頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2166流過(guò)二極管的電流也在變化，也就是說(shuō)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，PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）磁敏二極管的工作原理示意圖iii電子孔穴復(fù)合區(qū)第66頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2167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(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)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。第67頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2168

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)

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。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第68頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2169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：

u

0—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：第69頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2170(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。第70頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2171（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NPN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。i第71頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2172（2）磁敏三極管的工作原理N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbbN+N+N+（a）（b）（c）圖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(yè)/共86頁(yè)2023/4/2173當(dāng)不受磁場(chǎng)作用如圖(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(guò)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（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(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(yè)/共86頁(yè)2023/4/2174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。B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.115234-1-2-3圖3BCM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。2．磁敏三極管的主要特性

第74頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2175（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(lái)測(cè)量導(dǎo)線中電流。而用這種裝置來(lái)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(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速),無(wú)觸點(diǎn)電位器和漏磁探傷儀等。第75頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2176（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℃

75mA第76頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2177三、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)，則其電阻值就增加。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)。第77頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2178

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。第78頁(yè)/共86頁(yè)2023/4/2179

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)。