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1、第第9章章 磁敏式傳感器磁敏式傳感器9.1 霍爾傳感器9.2 磁敏電阻9.3 磁敏二級(jí)管和磁敏三極管9.1 9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器1.磁敏傳感器，顧名思義就是感知磁性物體的存在或者磁性強(qiáng)度(在有效范圍內(nèi))。這些磁性材料除永磁體外，還包括順磁材料(鐵、鈷、鎳及其它們的合金)當(dāng)然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場(chǎng)。2.目前半導(dǎo)體磁電傳感器，主要有霍爾效應(yīng)傳感器（Halleffect sensor）、磁敏電阻器（Semiconductive magnetoresistor）、磁敏二極管（Magnetodiode）、磁敏三極管。主要材料有銻化銦、砷化銦、鍺和硅等。3.霍爾效應(yīng) 在半導(dǎo)

2、體霍耳片的長(zhǎng)度方向通入控制電流I，在平面法線方向外加磁場(chǎng)B，于是電子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力，而向?qū)挾确较蚱疲虼嗽诨舳瑑蓚?cè)分別積累正負(fù)電荷并沿寬度方向產(chǎn)生霍耳電場(chǎng)。這一電場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生的力阻止電子偏移。當(dāng)電場(chǎng)力E與洛倫茲力L相平衡時(shí)，霍耳輸出端電荷積累達(dá)到平衡,這就是霍耳效應(yīng)。（美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的）霍爾電極控制電極d4.霍爾元件材料 （1）鍺(Ge)，N型及P型均可。（2）硅(Si)N型及P型均可。（3）砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。6.霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)額定激勵(lì)電流IH 使霍爾元件溫升10所施加的控制電流值稱為額定激勵(lì)

3、電流。通常用IH表示。輸入電阻Ri 它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(205)的環(huán)境溫度中測(cè)取。輸出電阻Rs 它 是 指 霍 爾 電 極 間 的 電 阻 值。規(guī) 定 中 要 求 在(205)的條件下測(cè)取。不等位電勢(shì)及零位電阻r0 當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在，該電勢(shì)就稱為不等位電勢(shì)(或零位電勢(shì))。寄生直流電勢(shì) 當(dāng)不加外磁場(chǎng)，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)為直流與交流電勢(shì)之和。其中的交流霍爾電勢(shì)與前述零位電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍爾電勢(shì)是個(gè)寄生量，稱為寄生直流電勢(shì)V。熱阻RQ 它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW

4、的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為CmW。所以稱它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。5.霍爾元件的測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖所示。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗?；魻杺鞲衅髦饕袃纱箢?，一類為開關(guān)型器件，一類為線性霍爾器件，產(chǎn)量前者大于后者?；魻柶骷捻憫?yīng)速度大約在1us 量級(jí)。一般采用恒流供電法。7.霍爾元件的補(bǔ)償電路不等位電勢(shì)及霍爾元件的等效電路7.霍爾元件的補(bǔ)償電路（1）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償（2）溫度補(bǔ)償 分流電阻法 電橋補(bǔ)償法測(cè)量電路 采用分流電阻法的溫度補(bǔ)償電路橋

5、路補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路電路輸出Uo為C點(diǎn)和D點(diǎn)的電勢(shì)之差，C點(diǎn)的輸出為（UcUf），同理，D點(diǎn)的輸出為（UdUf）；當(dāng)溫度上升，霍爾傳感器輸出變小，要保持輸出Uo不變，需要Uc變小，對(duì)左邊的直流電橋，R1和R2的分壓不變，R3因?yàn)闊崦綦娮鑂t變大而增加，Uf上升，C點(diǎn)輸出（UcUf）變小，實(shí)現(xiàn)維持Uo不變。8.使用霍爾(HALL)器件的幾個(gè)注意事項(xiàng) 在硅集成霍爾器件的應(yīng)用中，要注意下列事項(xiàng)：一、在測(cè)試及焊接過程中的注意事項(xiàng)防止靜電燒毀按照靜電的大小，可分為三類：1、第一類是所用的元器件，對(duì)靜電損傷最敏感，其靜電電壓在0-1000 伏之間，就會(huì)損壞器件。2、第二類是所用的元器件，對(duì)靜電放電敏感，

6、其靜電電壓為1000-4000 伏之間，在這一電壓下，會(huì)損壞器件。3、第三類是所用的元器件，對(duì)靜電放電不敏感，其靜電電壓高到4000-15000 伏，才損壞器件。硅集成半導(dǎo)體霍爾開關(guān)及線性電路是屬于第一類的元器件，因此很容易受靜電的損壞。它在出廠時(shí)用金屬紙袋包封，或是用去靜電的塑料袋包封，以防止靜電的損傷。但在運(yùn)輸過程中，由于摩擦，包裝表面也會(huì)產(chǎn)生靜電，為了防止靜電損壞器件，要求在啟封以后，嚴(yán)格導(dǎo)循下列程序：（一）防止靜電燒毀（二）測(cè)試過程中，對(duì)測(cè)試設(shè)備及測(cè)試方法的要求：（三）霍爾電路的焊接 二、在電路裝配及使用過程中的注意事項(xiàng)防止高壓電脈沖的燒毀 三、在電路接口上的注意事項(xiàng)防止大電流燒毀 9

7、.霍爾式傳感器的應(yīng)用舉例（1）高斯計(jì)（2）電流計(jì)（3）轉(zhuǎn)速計(jì)（4）霍爾式位移傳感器（5）霍爾式壓力傳感器（1）高斯計(jì) 如圖所示，將霍爾元件垂直置于磁場(chǎng)B中，輸入恒定的控制電流I，則霍爾輸出電壓UH 正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B，此方法可以測(cè)量恒定或交變磁場(chǎng)的高斯數(shù)。（2）電流計(jì) 如圖將霍爾元件垂直置于磁環(huán)開口氣隙中，讓載流導(dǎo)體穿過磁環(huán)，由于磁環(huán)氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與待測(cè)電流I成正比，當(dāng)霍爾元件控制電流IH 一定時(shí)，霍爾輸出電壓UH 則正比于待測(cè)電流I，這種非接觸檢測(cè)安全簡(jiǎn)便，適用于高壓線電流檢測(cè)。（3）轉(zhuǎn)速計(jì) 如圖所示，將霍爾元件放在旋轉(zhuǎn)盤的下邊，讓轉(zhuǎn)盤上磁鐵形成的磁力線垂直穿過霍爾元件；當(dāng)控制電流I一定

8、時(shí)，霍爾輸出電壓UH決定于磁鐵的磁場(chǎng)。（4）霍爾式位移傳感器霍爾式位移傳感器原理示意圖（5）霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器結(jié)鉤原理圖及磁鋼外形9.1.4霍爾集成傳感器HST霍爾傳感器工作原理圖HST霍爾傳感器HST霍爾傳感器常見應(yīng)用接口電路HK-1型霍爾接近開關(guān)組成的計(jì)數(shù)器電路HK-1型霍爾接近開關(guān)霍爾傳感器DN833驅(qū)動(dòng)三極管、可控硅、繼電器、CMOS電路和TTL電路霍爾傳感器DN833霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)9.2 9.2 磁敏電阻磁敏電阻1.磁阻效應(yīng)：當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，電阻值會(huì)隨磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象。(包括物理磁阻效應(yīng)與幾何磁阻效應(yīng)。)2.磁阻效應(yīng)的表達(dá)式 在磁場(chǎng)中，電流的流動(dòng)路徑會(huì)因磁場(chǎng)

9、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：為磁感應(yīng)強(qiáng)度；材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為時(shí)的電阻率；0 材料在磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)的電阻率；載流子的遷移率。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)。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。磁阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)與幾何磁阻效應(yīng)。物理磁阻效應(yīng)：長(zhǎng)方形半導(dǎo)體晶片受到與電流方向垂直的磁場(chǎng)作用時(shí)，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，還會(huì)出現(xiàn)電流密度下降、電

10、阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為物理磁阻效應(yīng)。（一是材料的電阻率隨磁場(chǎng)的增加而增加，稱為磁阻率效應(yīng)。）幾何磁阻效應(yīng)：在物理磁阻效應(yīng)發(fā)生時(shí)，如果所選擇的長(zhǎng)方形半導(dǎo)體晶片的幾何尺寸不同，電阻值增大也不同，則稱為幾何磁阻效應(yīng)。（二是在磁場(chǎng)的作用下，通過磁敏電阻電流的路徑變長(zhǎng)，因而電極間電阻值增加，稱為幾何磁阻效應(yīng)。）把LW的扁平器件串聯(lián)起來，就會(huì)制成磁場(chǎng)電阻值較大、靈敏度較高的磁阻器件。磁阻效應(yīng)與霍爾效應(yīng)的區(qū)別為：霍爾電勢(shì)是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移率大的材料，磁阻效應(yīng)愈顯著；元件的長(zhǎng)、寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大?；魻栃?yīng)于磁阻

11、效應(yīng)是并存的。在制造霍爾器件時(shí)應(yīng)努力減少磁阻效應(yīng)的影響，而制造磁阻器件時(shí)努力避免霍爾效應(yīng)（在計(jì)算公式中，互為非線性項(xiàng)）。在磁阻器件應(yīng)用中，溫度漂移的控制也是主要矛盾，在器件制備方面，磁阻器件由于與霍爾不同。據(jù)報(bào)導(dǎo)磁阻器件的響應(yīng)速度同霍爾1uS量級(jí)。磁阻傳感器由于工作機(jī)理不同于霍爾，因而供電也不同，而是采用恒壓源（但也需要一定的電流）供電。當(dāng)后續(xù)電路不同對(duì)供電電源的穩(wěn)定性及內(nèi)部噪聲要求高低有所不同。3.磁敏電阻金屬短路條：起到提高磁敏電阻靈敏度的作用。金屬短路條將磁敏電阻分割為寬為b，長(zhǎng)度滿足l/b=1/0.35b。4.磁敏電阻的主要特性（1）磁電特性（電阻變化與B的關(guān)系）磁阻元件磁場(chǎng)電阻特性（

12、2）靈敏度特性 磁阻元件的靈敏度特性是用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下的電阻變化率來表示，即磁場(chǎng)電阻特性的斜率。常用K表示，單位為mV/mA.kG即.Kg。在運(yùn)算時(shí)常用RB/R0求得，R0表示無磁場(chǎng)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。相對(duì)靈敏度S：是非線性的，且受溫度影響大。必須根據(jù)其特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（3）溫度特性（4）標(biāo)稱阻值和額定功率（5）頻率特性5.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(chǎng)傳感器等。可用于開關(guān)電源、UPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理

13、、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)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(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。9.3 9.3 磁敏二級(jí)管和磁敏三極管磁敏二級(jí)管和磁敏三極管1.磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 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，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。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

14、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。-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-0.2T000U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二極管溫度特性曲線(單個(gè)使用時(shí))U規(guī)定硅管的使用溫度為-4085，而鍺管則現(xiàn)定為-4065。磁敏二極管的靈敏度，可比霍爾器件高上1000倍，但它的輸入和輸出是非線性的，且需注入比10mA大得多的電流。2.磁敏晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原理3BCM磁敏三極管的溫度特性(a)基極電源恒壓(b)基極恒流(a)-20020401.20.80.41.660B=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/mA