《半导体磁敏传感器》PPT课件
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第4章 磁敏传感器-PPT课件
0
得
RL
Ro0
1
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
3、采用恒压源和输入回路串联电阻 4、采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等)
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
霍尔元件不等位电势 U 0的温度补偿
B=0 欧姆表
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
（4）基本特性
UH＝ KH I B
直线性：指霍尔器件的输出电势UH分别和基本参数
I、U、B之间呈线性关系。
灵敏度KH：
乘积灵敏度：
霍尔元件的输出电压要由磁感应强度B和控制电流
I的乘积来确定,表示霍尔电势UH与两者乘积之间的比
值，通常以mV/(mA·0.1T)。
简单、测量精度差、 受外界干扰大
IC VH
I
B
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
（2）导线贯穿磁芯法
导磁铁芯
环形铁芯集中磁力线， 提高电流测量精度
（3）绕线法
I
通电导线
• 该电场产生的电场力fE 阻止电子继续偏转。
当fEfl 时，电荷积累 平达 衡到 。
fl e(vB) fEeE
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传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
fle(vB )fEeE
EvBU bHEvBUHbvB
Inebd
U HB bn Ie B dR HId BK H IBRH
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传感器原理及应用
第七章磁敏传感器-PPT文档资料
3．额定控制电流Ic
霍尔元件在空气中升温 T10C
时所通过的控制电流称为额定控制电流Ic。
4．不平衡电势U0（不等位电势） 在额定控制电流Ic 之下，不加磁场时，霍尔电极间的开路
电势差称为不平衡电势，单位为mV。它是由于两个输出电极不在 同
一个等位面上造成的。产生的原因主要有材料电阻率的不均匀，基 片宽度和厚度不一致及电极与基片间的接触位置不对称或接触不良
磁敏传感器的工作原理是基于霍尔效应和磁阻效应。
7.1 霍尔效应
霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的 物理效应。
一长为L、宽为b、厚为d的半导 体薄片，被置于磁感应强度为B的磁
场中（平面与磁场垂直），在与磁 场方向正交的两边通以控制电流
I，则在半导体另外两边将产生一个 大小与控制电流I和磁感应强度B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB， 其中KH为霍尔元件的灵敏度。这种
为横向磁阻效应。若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。
横向比纵向磁阻效应大。设没有磁场时的电阻率为 0，施加电场时
的电阻率为H，则横向磁阻效应的大小可用横向磁阻系数 来M t表示：
7.3 霍尔元件
Mt H0B20 0B 2
7.3.1 霍尔元件工作原理 霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。以n型半
霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度 愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、 输出电阻增加。
8
KH为霍尔元件的灵敏度，这时，霍尔电势表示为：
UH KHIB
KH表示在单位电流，单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出 值。即霍尔元件灵敏度（乘积灵敏度）。它与元件的厚度成反比， 降低厚度d，可以提高灵敏度。但在考虑提高灵敏度的同时，必须 兼顾元件的强度和内阻。
霍尔元件在空气中升温 T10C
时所通过的控制电流称为额定控制电流Ic。
4．不平衡电势U0（不等位电势） 在额定控制电流Ic 之下，不加磁场时，霍尔电极间的开路
电势差称为不平衡电势，单位为mV。它是由于两个输出电极不在 同
一个等位面上造成的。产生的原因主要有材料电阻率的不均匀，基 片宽度和厚度不一致及电极与基片间的接触位置不对称或接触不良
磁敏传感器的工作原理是基于霍尔效应和磁阻效应。
7.1 霍尔效应
霍尔效应是导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势的 物理效应。
一长为L、宽为b、厚为d的半导 体薄片，被置于磁感应强度为B的磁
场中（平面与磁场垂直），在与磁 场方向正交的两边通以控制电流
I，则在半导体另外两边将产生一个 大小与控制电流I和磁感应强度B 乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB， 其中KH为霍尔元件的灵敏度。这种
为横向磁阻效应。若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。
横向比纵向磁阻效应大。设没有磁场时的电阻率为 0，施加电场时
的电阻率为H，则横向磁阻效应的大小可用横向磁阻系数 来M t表示：
7.3 霍尔元件
Mt H0B20 0B 2
7.3.1 霍尔元件工作原理 霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。以n型半
霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度 愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、 输出电阻增加。
8
KH为霍尔元件的灵敏度，这时，霍尔电势表示为：
UH KHIB
KH表示在单位电流，单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出 值。即霍尔元件灵敏度（乘积灵敏度）。它与元件的厚度成反比， 降低厚度d，可以提高灵敏度。但在考虑提高灵敏度的同时，必须 兼顾元件的强度和内阻。
《半导体传感器》课件
应用领域
开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
THANKS
感谢观看
气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
开拓新的应用领域，如医疗健康、环境监测、智能交 通和智能家居等，以满足不断增长的市场需求。
市场
加强国际合作与交流，推动传感器技术的国际市场拓展 ，提高国际竞争力。
THANKS
感谢观看
气体传感器
总结词
检测空气中的有害气体
详细描述
气体传感器利用半导体的气敏效应，能够检 测空气中的有害气体，如一氧化碳、二氧化 硫等。这些传感器在环境保护、工业安全等 领域有广泛应用。
紫外线传感器
总结词
监测紫外线的强度和照射时间
详细描述
紫外线传感器能够监测环境中紫外线的强度 和照射时间，对于预防紫外线辐射损伤和保 护皮肤健康具有重要意义。这些传感器广泛
敏感材料
敏感材料是半导体传感器的重要组成 部分，负责将待测物理量转换为电信 号。
选择敏感材料时需要考虑其稳定性、 灵敏度、响应速度和耐腐蚀性等性能 指标。
常见的敏感材料包括金属氧化物、硅 、陶瓷等，它们具有不同的特性，适 用于不同的应用场景。
敏感材料的制备方法包括化学气相沉 积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等， 这些方法能够控制材料的成分和结构 ，从而影响传感器的性能。
测试的目的是检测传感器的性能指标是 否达到设计要求，以及在不同条件下的 稳定性和可靠性。
03
半导体传感器的性能参数
线性范围与灵敏度
线性范围
衡量传感器输出与输入之间线性关系 的参数，即输入量在一定范围内变化 时，输出量与输入量成正比。
灵敏度
表示传感器输出变化量与输入变化量 之比，即单位输入变化引起的输出变 化量。
半导体传感器的主要应用领域
医疗领域
用于生理参数的监测，如体温、血压、血氧 饱和度等。
环保领域
第9章 磁敏式传感器 36页PPT
4×2×0.1mm3 激励电极 霍尔电极
霍尔元件在测量电路中一般有两种表示方法。 霍尔元件的基本电路
霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个 霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获 得较大的UH。
霍尔元件的连接电路
2、霍尔元件的材料及主要特性参数
霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载 流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗 (Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半 导体材料。
IcIR P0(1R P 0T (1 ) R i0 T (1 ) T)
当温度变化ΔT时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：
U H 0K H 0Ic0BK HIcBU H
K H 0(1 T)BR IP0(1R P 0T (1 ) R i0T (1 ) T)
函数，所以同时要考虑温度补偿问题 。
温度误差及其补偿
常用的补偿电路包括：恒流源激励并联分流电阻 补偿电路；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电 路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系 数的电阻或合理选取负载电阻的阻值补偿电路等 等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
假选设用初的始补温偿度电为阻TR0P时0，有被如分下流参掉数的：电霍流尔为元Ip件0，的激输励入电电流阻Ic为0，R霍i0， 尔元件的灵敏度KH0。
主要特性：
磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与 磁场的正负无关；
温度特性：温度系数影响大；
频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍 尔元件大。
3、磁敏电阻的应用
磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位 移、力、加速度等参数的测量。
R1、R2
磁敏电阻位移传感器
9.3 磁敏二极管和磁敏三极管
霍尔元件在测量电路中一般有两种表示方法。 霍尔元件的基本电路
霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个 霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获 得较大的UH。
霍尔元件的连接电路
2、霍尔元件的材料及主要特性参数
霍尔元件多采用N型半导体材料（高的电阻率和载 流子的迁移率）。目前最常用的霍尔元件材料有锗 (Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半 导体材料。
IcIR P0(1R P 0T (1 ) R i0 T (1 ) T)
当温度变化ΔT时，为使霍尔电势不变则必须有如下关系：
U H 0K H 0Ic0BK HIcBU H
K H 0(1 T)BR IP0(1R P 0T (1 ) R i0T (1 ) T)
函数，所以同时要考虑温度补偿问题 。
温度误差及其补偿
常用的补偿电路包括：恒流源激励并联分流电阻 补偿电路；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电 路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系 数的电阻或合理选取负载电阻的阻值补偿电路等 等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
假选设用初的始补温偿度电为阻TR0P时0，有被如分下流参掉数的：电霍流尔为元Ip件0，的激输励入电电流阻Ic为0，R霍i0， 尔元件的灵敏度KH0。
主要特性：
磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与 磁场的正负无关；
温度特性：温度系数影响大；
频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍 尔元件大。
3、磁敏电阻的应用
磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位 移、力、加速度等参数的测量。
R1、R2
磁敏电阻位移传感器
9.3 磁敏二极管和磁敏三极管
磁敏传感器PPT课件
l b
形状效应系数 磁敏元件的长度
磁敏元件的宽度△
这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻 大小变化的现象，叫形状效应。
.
32
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应和形状效应研制 而成。
(1)长方形磁阻元件
其长度L大于宽度b，在两端部制成电极，构成两端器件
.
33
在电场和磁场相互垂直得固体中电子的运动
.
UB、IB——磁场为B时， 磁敏二极管两端流过的 电压和电流
.
11
3.温度补偿及提高灵敏度的措施
①互补式电路
温度特性曲线
.
12
②差分式电路
.
13
③全桥式电路
要求:灵敏度高
用交流电源或脉冲电压源
.
14
二.磁敏三极管的工作原理和主要特性
1.结构和原理 电路符号:
结构:
.
15
工作原理:
a.无磁场: 集电极电流小,基极电流大
⑥工作电压 3V ~ 几十V
.
20
3.温度补偿及提高灵敏度的措施 ①负温度系数管
用正温度系数普通硅三极管
.
21
②正温度系数管(3BCM)
.
22
③选择特性一致,磁性相反
差分式补偿电路
.
23
三﹑磁敏管的应用
漏磁探伤仪的原理如图：
a.钢棒被磁化局部表面时，若无缺陷，探头附近没有泄漏磁通， 无信息输出 b.缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生输出信号
b.加正向磁场 洛仑兹力,基极电流加大, 集电极电流更小
c.加反向磁场 洛仑兹力,集电极电流加大
.
16
2.磁敏三极管主要特性 ①伏安特性
.
形状效应系数 磁敏元件的长度
磁敏元件的宽度△
这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻 大小变化的现象，叫形状效应。
.
32
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应和形状效应研制 而成。
(1)长方形磁阻元件
其长度L大于宽度b，在两端部制成电极，构成两端器件
.
33
在电场和磁场相互垂直得固体中电子的运动
.
UB、IB——磁场为B时， 磁敏二极管两端流过的 电压和电流
.
11
3.温度补偿及提高灵敏度的措施
①互补式电路
温度特性曲线
.
12
②差分式电路
.
13
③全桥式电路
要求:灵敏度高
用交流电源或脉冲电压源
.
14
二.磁敏三极管的工作原理和主要特性
1.结构和原理 电路符号:
结构:
.
15
工作原理:
a.无磁场: 集电极电流小,基极电流大
⑥工作电压 3V ~ 几十V
.
20
3.温度补偿及提高灵敏度的措施 ①负温度系数管
用正温度系数普通硅三极管
.
21
②正温度系数管(3BCM)
.
22
③选择特性一致,磁性相反
差分式补偿电路
.
23
三﹑磁敏管的应用
漏磁探伤仪的原理如图：
a.钢棒被磁化局部表面时，若无缺陷，探头附近没有泄漏磁通， 无信息输出 b.缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生输出信号
b.加正向磁场 洛仑兹力,基极电流加大, 集电极电流更小
c.加反向磁场 洛仑兹力,集电极电流加大
.
16
2.磁敏三极管主要特性 ①伏安特性
.
《磁敏传感器介绍》课件
磁敏传感器在工厂自动化、机器人技术和生 产线控制中起到关键作用。
2 汽车行业
用于车辆导航、制动系统、空调系统和倒车 雷达等汽车应用中。
3 医疗设备
4 消费电子
应用于MRI机器、心脏起搏器和血液测量等医 疗设备中。
用于智能手机、平板电脑和游戏手柄等消费 电子产品中。
磁敏传感器的性能评价指标
1 灵敏度
磁敏传感器的分类和类型
磁电传感器
利用磁电效应将磁场转换为电信号，如霍尔传感器和磁电电流传感器。
磁阻传感器
根据磁场的磁阻变化来测量磁场强度，如磁阻式位置传感器和磁阻角度传感器。
磁感应传感器
利用磁感应效应测量磁场强度和方向，如磁感应式位置传感器和磁感应式角度传感器。
磁敏传感器的应用领域
1 工业自动化
磁敏传感器介绍
欢迎来到《磁敏传感器介绍》PPT课件。本课程将为您详细介绍磁敏传感器的 定义、原理和应用领域，以及评价指标和创新技术。让我们一起探索这个引 人入胜的领域！
磁敏传感器的定义和原理
磁敏传感器是一种能够检测和测量磁场强度和磁场变化的设备。它们基于磁敏效应工作，如霍尔效应、磁电效 应和磁致伸缩效应。这些传感器在广泛的应用中发挥着关键的作用。
3
低功耗
优化电路设计和材料选择以降低功耗。
磁敏传感器的创新技术
量子磁敏传感器
利用量子效应实现更高灵敏度和 更低功耗的磁敏传感器。
人工智能应用
结合人工智能算法分析传感器数 据，提高复杂环境下的性能。
物联网集成
将磁敏传感器与物联网技术相结 合，实现智能化和远程监测。
总结和展望
通过本课程，我们了解了磁敏传感器的定义、原理、分类、应用领域、性能 评价指标以及创新技术。未来，随着技术的不断发展，磁敏传感器将在更多 领域发挥关键作用，带来更多惊喜和突破。
磁敏传感器讲PPT课件
设霍尔元件为N型半导体，其长度为l，宽度为b，厚度为 d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应 强度B的作用下，空穴受到洛仑兹力
fL qvB q—电子电量(1.62×10-19C)； v—载流子运动速度。
.
11
根据右手螺旋定则，电子运动方向向上偏移，则在上端产生 电子积聚，下端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电场。
17
I
B
V
R E
IH R3 VH
霍尔元件的基本电路
控制电流I；
霍耳电势VH； 控制电压V；
输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。
图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所 需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或 放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳 器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。
VH=KHBI KH——Hall元件灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强 度B和控制电流I乘积之间的比值，mV/(mA·KGs)。因为
霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定, 故又称为乘积灵敏度。
.
21
若控制电流值固定，则： VH＝KBB
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。
VH＝ KH I B cosθ
.
15
设 KH=RH / d VH＝ KH I B
KH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关， 它决定霍尔电势的强弱。
若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时， 霍耳电势应为：
VH＝ KH I B cosθ
fL qvB q—电子电量(1.62×10-19C)； v—载流子运动速度。
.
11
根据右手螺旋定则，电子运动方向向上偏移，则在上端产生 电子积聚，下端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电场。
17
I
B
V
R E
IH R3 VH
霍尔元件的基本电路
控制电流I；
霍耳电势VH； 控制电压V；
输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。
图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所 需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或 放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳 器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。
VH=KHBI KH——Hall元件灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强 度B和控制电流I乘积之间的比值，mV/(mA·KGs)。因为
霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定, 故又称为乘积灵敏度。
.
21
若控制电流值固定，则： VH＝KBB
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。
VH＝ KH I B cosθ
.
15
设 KH=RH / d VH＝ KH I B
KH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关， 它决定霍尔电势的强弱。
若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时， 霍耳电势应为：
VH＝ KH I B cosθ
第9章 半导体磁敏传感器
模拟检测出转角。
三、磁阻元件的应用
(3)无触点点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时会 使元件阻值增大，再根据需要将信号放大或直 接驱动晶体管，就可以实现无触点开关功能或 计数功能。电路如图9-17所示。
§9-3 磁敏二极管和磁敏三极管
磁敏二极管和磁敏三极管是由锗 或硅半导体材料制成的，其中二极管 具有长基区的P+一i一N+型的二极管 结构，磁敏三极管则是具有双极型晶 体管结构的磁电转换元件。
1.不等位电动势U0及其补偿
当霍尔元件在额定控制电流作用下， 不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载 电动势，称为不等位电动势U0。
U0产生的原因：
(1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电 极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电 极点不能完全位于同一等位面上，如图 5-8a所示。
(2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均 匀或控制电流极接触不良都将使等位面 歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电动势。
磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指 垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是 沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料 性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料， 磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻 效应愈大。
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元 件，这种元件的电阻值能够随着磁场的增加而 增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个 端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件 的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性 输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄， 它 是 在 0.1~0.5mm 的 绝 缘 基 片 上 蒸 镀 上 约 20~25μm 的 一 层 半 导 体 材 料 制 成 的 ， 也 有 在 半 导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻， 将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用 导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的 磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSb—NiSb(共晶型) 和薄膜型等。
三、磁阻元件的应用
(3)无触点点开关。当磁阻元件接近永久磁铁时会 使元件阻值增大，再根据需要将信号放大或直 接驱动晶体管，就可以实现无触点开关功能或 计数功能。电路如图9-17所示。
§9-3 磁敏二极管和磁敏三极管
磁敏二极管和磁敏三极管是由锗 或硅半导体材料制成的，其中二极管 具有长基区的P+一i一N+型的二极管 结构，磁敏三极管则是具有双极型晶 体管结构的磁电转换元件。
1.不等位电动势U0及其补偿
当霍尔元件在额定控制电流作用下， 不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载 电动势，称为不等位电动势U0。
U0产生的原因：
(1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电 极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电 极点不能完全位于同一等位面上，如图 5-8a所示。
(2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均 匀或控制电流极接触不良都将使等位面 歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电动势。
磁阻效应与霍尔效应区别在于，霍尔电势是指 垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是 沿电流方向产生的阻值变化。磁阻效应与材料 性质及几何形状有关，一般迁移率愈大的材料， 磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻 效应愈大。
磁阻元件是利用半导体的磁阻效应而制作的元 件，这种元件的电阻值能够随着磁场的增加而 增大。它的优点是像电阻元件一样，只有两个 端子，结构简单，安装方便。缺点是磁阻元件 的电特性比霍尔元件的复杂，不是单一的线性 输出。半导体磁阻元件外形呈扁平状，非常薄， 它 是 在 0.1~0.5mm 的 绝 缘 基 片 上 蒸 镀 上 约 20~25μm 的 一 层 半 导 体 材 料 制 成 的 ， 也 有 在 半 导体薄片上腐蚀成型的。为了增加有效电阻， 将其制成电阻应变片那样的弯曲栅格，端子用 导线引出后，再用绝缘材料覆盖密封。常见的 磁阻元件有lnSb(栅格型)、lnSb—NiSb(共晶型) 和薄膜型等。
半导体磁敏传感器
不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动 的方式在传感器前方通过。
S N L2
霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线
③采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度
第四章 半导体磁敏传感器
§4.1 霍耳磁敏传感器 §4.2 磁敏二极管和磁敏三极管 §4.3 磁敏电阻
包括B、H、Φ等
磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号的传感器。它广 泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等待个 领域。
磁敏传感器的工作原理大多是基于带电载流子在磁场中运 动时因受洛仑兹力的作用而发生偏转的机理：
若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时（即 B与I不完全垂直时），霍耳电势应为：
VH＝ KH I B cosθ
注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的 方向也改变；但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不 改变方向。
（二）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）的结构
控制电流端
D
A
B
§4.1 霍耳磁敏传感器
（一）工作原理——霍耳效应
通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将 产生电动势的现象称为霍耳效应。
zy
Ｂ
x
+++
+ ++
I
-
-
-
-
-
-
w
n
---
-- -
l
d
VH
霍耳效应原理图
设n型半导体的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以 均匀的速度v运动，则在垂直方向z施加的磁感应强度B的作用 下，它受到洛仑兹力沿y轴负方向，大小为
VH＝KBB
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等 于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电 势值。常用于磁场测量等情况。 若磁场值固定，则：
S N L2
霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线
③采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度
第四章 半导体磁敏传感器
§4.1 霍耳磁敏传感器 §4.2 磁敏二极管和磁敏三极管 §4.3 磁敏电阻
包括B、H、Φ等
磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号的传感器。它广 泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等待个 领域。
磁敏传感器的工作原理大多是基于带电载流子在磁场中运 动时因受洛仑兹力的作用而发生偏转的机理：
若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时（即 B与I不完全垂直时），霍耳电势应为：
VH＝ KH I B cosθ
注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的 方向也改变；但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不 改变方向。
（二）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）的结构
控制电流端
D
A
B
§4.1 霍耳磁敏传感器
（一）工作原理——霍耳效应
通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将 产生电动势的现象称为霍耳效应。
zy
Ｂ
x
+++
+ ++
I
-
-
-
-
-
-
w
n
---
-- -
l
d
VH
霍耳效应原理图
设n型半导体的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以 均匀的速度v运动，则在垂直方向z施加的磁感应强度B的作用 下，它受到洛仑兹力沿y轴负方向，大小为
VH＝KBB
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等 于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电 势值。常用于磁场测量等情况。 若磁场值固定，则：
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第九章 半导体磁敏
传感器
简
介
磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改 变其运动方向这一特性而制成。（磁电效应） 按其结构可分为体型和结型两大类。 体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化 铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。 结型的有磁敏二极管Ge、Si,磁敏晶体管Si
在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻 率的相对变化越大。
长方形磁阻器件只有在l<b的
条件下，才表现出较高的灵
I
敏度。在实际制作磁阻器件
t
即：
U Ht U Ho (1 t )
9.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿 1. 零位误差及补偿方法
B
R1 B
R2
C U0
D
C
IR3ຫໍສະໝຸດ D R44AA
(a)
(b)
（a） 不等位电势
（b） 霍尔元件的等效电
路
图9－5 不等位电势及霍尔元件等效电路
几种常用补偿方法
A
C
D
B
W
A
R1
R2
C
D
R3 B R4
移量。
例9-2 霍尔转速传感器 输入轴
输入轴
霍尔传感器
（a）
（b）
图9-9 霍尔转速传感器结构
9.2
磁敏电阻器
9.2.1 磁阻效应 当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。
当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。
如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻 效应方程为：
W （
（b）
A
C
D
(b)
B
W
A
R1
R2
C
D
R3 B R4
W
a
）
2. 温度误差及补偿
IH
IP
I
Rp
霍尔元件电阻 温度系数
UH
图9-4 恒流源温度补偿电
霍尔元件电势 温度系数
当路温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，
在I为定值时通过霍尔元件的激励电流IH减少， 而通过分流电阻Rp的电流Ip增大，从而达到补偿
霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最 常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟 (InAs)等半导体材料。
2 测量电路 （a）基本测量电路
W E
RL
UH
W1
W2
~
UH
UH
（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式
9.1.3 霍尔元件的主要特征参数
UH = EH b = vBb
(9-
3)
流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt = bdvnq
得：
v =I / nqbd
(9
-4)
所以：
UH = BI / nqd
若取 RH = 1 / nq 则
IB U H RH d
RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料
的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。
设
KH
RH d
U H K H IB
KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电
流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小. 单位是mV/（mA·T）
KH
1 nqd
9.1.2 霍尔元件的构造及测量电路
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件
多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d 越小)，KH 就越
10oC温升时对应的激励电流称为额定激励
电流。
4.不平衡电势U0和不等位电阻r0 在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极
间的空载霍尔电势。不等位电势与额定激励
电流之比称为不等位电阻ro
5.霍尔温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1°C时，霍尔电 势变化的百分率。
（U Ht U Ho ) / U Ho
将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向
向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人
电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电
势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相 反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果 霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零
；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置
时，即可得到输出电压，其大小正比于位
B （0 1 0.273 2B2 )
电阻率的相对变化
0.273 2B2 K 2B2 0
可以看出 ，在磁感应强度Ｂ一定时，迁移率越高的材料（如InS
b、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。
从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的 作用而加长所致。
9.2.2 磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。
大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。
1 构造
霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长
度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处 称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、 d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。
的目的。
利用恒流源进行补偿
当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍 尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行 补偿即可。 若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化 极小，从而减少了输入端的温度影响。
9.1.5 霍尔式传感器的典型应用
霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁 场、电流等的测量或控制。
应用范围可分为模拟用途和数字用途。
9.1 霍尔传感器
9.1.1 霍尔效应
b FE
B
FL v
d
I UH
l
图9-1 霍尔效应
设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时
FL = qvB
(9-1)
当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有
q
EH=qvB
故霍尔电场的强度为 （9-2）
EH=vB
所以，霍尔电压UH可表示为
U H K H IB
KH
1 nqd
1.霍尔高斯计； 2.霍尔位移传感器； 3.霍尔角位移传感器和转速传感器
例9-1 检测磁场
检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成 各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直， 通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。
图9-7 霍尔位移传感器
1.灵敏度KH
霍尔元件在单位激励电流和单位磁场感应强度作用下的的空载霍
尔电压。
K H RH / d
KH
1 nqd
减小d；选好的半导体材料
2.输入电阻Ri和输出电阻RO Ri是指控制电流极之间的电阻值。
R0指霍尔元件电极间的电阻。 Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。
3.额定激励电流I
当霍尔元件的电流使其本身在空气中产生
传感器
简
介
磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改 变其运动方向这一特性而制成。（磁电效应） 按其结构可分为体型和结型两大类。 体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化 铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。 结型的有磁敏二极管Ge、Si,磁敏晶体管Si
在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻 率的相对变化越大。
长方形磁阻器件只有在l<b的
条件下，才表现出较高的灵
I
敏度。在实际制作磁阻器件
t
即：
U Ht U Ho (1 t )
9.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿 1. 零位误差及补偿方法
B
R1 B
R2
C U0
D
C
IR3ຫໍສະໝຸດ D R44AA
(a)
(b)
（a） 不等位电势
（b） 霍尔元件的等效电
路
图9－5 不等位电势及霍尔元件等效电路
几种常用补偿方法
A
C
D
B
W
A
R1
R2
C
D
R3 B R4
移量。
例9-2 霍尔转速传感器 输入轴
输入轴
霍尔传感器
（a）
（b）
图9-9 霍尔转速传感器结构
9.2
磁敏电阻器
9.2.1 磁阻效应 当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。
当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。
如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻 效应方程为：
W （
（b）
A
C
D
(b)
B
W
A
R1
R2
C
D
R3 B R4
W
a
）
2. 温度误差及补偿
IH
IP
I
Rp
霍尔元件电阻 温度系数
UH
图9-4 恒流源温度补偿电
霍尔元件电势 温度系数
当路温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，
在I为定值时通过霍尔元件的激励电流IH减少， 而通过分流电阻Rp的电流Ip增大，从而达到补偿
霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最 常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟 (InAs)等半导体材料。
2 测量电路 （a）基本测量电路
W E
RL
UH
W1
W2
~
UH
UH
（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式
9.1.3 霍尔元件的主要特征参数
UH = EH b = vBb
(9-
3)
流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt = bdvnq
得：
v =I / nqbd
(9
-4)
所以：
UH = BI / nqd
若取 RH = 1 / nq 则
IB U H RH d
RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料
的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。
设
KH
RH d
U H K H IB
KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电
流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小. 单位是mV/（mA·T）
KH
1 nqd
9.1.2 霍尔元件的构造及测量电路
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件
多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d 越小)，KH 就越
10oC温升时对应的激励电流称为额定激励
电流。
4.不平衡电势U0和不等位电阻r0 在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极
间的空载霍尔电势。不等位电势与额定激励
电流之比称为不等位电阻ro
5.霍尔温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1°C时，霍尔电 势变化的百分率。
（U Ht U Ho ) / U Ho
将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向
向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人
电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电
势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相 反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果 霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零
；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置
时，即可得到输出电压，其大小正比于位
B （0 1 0.273 2B2 )
电阻率的相对变化
0.273 2B2 K 2B2 0
可以看出 ，在磁感应强度Ｂ一定时，迁移率越高的材料（如InS
b、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。
从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的 作用而加长所致。
9.2.2 磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。
大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。
1 构造
霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长
度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处 称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、 d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。
的目的。
利用恒流源进行补偿
当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍 尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行 补偿即可。 若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化 极小，从而减少了输入端的温度影响。
9.1.5 霍尔式传感器的典型应用
霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁 场、电流等的测量或控制。
应用范围可分为模拟用途和数字用途。
9.1 霍尔传感器
9.1.1 霍尔效应
b FE
B
FL v
d
I UH
l
图9-1 霍尔效应
设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时
FL = qvB
(9-1)
当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有
q
EH=qvB
故霍尔电场的强度为 （9-2）
EH=vB
所以，霍尔电压UH可表示为
U H K H IB
KH
1 nqd
1.霍尔高斯计； 2.霍尔位移传感器； 3.霍尔角位移传感器和转速传感器
例9-1 检测磁场
检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成 各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直， 通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。
图9-7 霍尔位移传感器
1.灵敏度KH
霍尔元件在单位激励电流和单位磁场感应强度作用下的的空载霍
尔电压。
K H RH / d
KH
1 nqd
减小d；选好的半导体材料
2.输入电阻Ri和输出电阻RO Ri是指控制电流极之间的电阻值。
R0指霍尔元件电极间的电阻。 Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。
3.额定激励电流I
当霍尔元件的电流使其本身在空气中产生