讲义磁传感器.ppt

若磁场值固定，则： VH＝KI I
KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电 势值。
3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。
4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关， 当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。
势的方向也改变。
霍耳电 但当磁场与电流同时改变方向时，
势并不改变方向。
（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）
电流极
D
A
B
5.4
2.7
霍耳电极
2.1
s d
w
D
R1 R2
C
A
B
l
0.2 0.3 0.5 （a）
R4 （b）
R4 R3 C
（c）
霍耳器件片
(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路 外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2
VH=KHBI KH——乘积灵敏度，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， 通常以mV/(mA·0.1T)。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称 为乘积灵敏度。
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。
设 KH=RH / d
VH＝ KH I B
KH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在 单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。
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，霍耳电势应为：
VH＝ KH I B cosθ
霍耳电 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出
PO max VH2 / 4R2
5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率， 称为最大效率，即：
P型半导体中的孔 穴浓度为P
霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：
IB VH RH d
RH
1 qn
RH
1 qp

（N型）
（P型）
R—H 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率 μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速 度。
金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故 为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。
• 中国磁敏传感器行业在过去几年中一直保持稳定的增长， 磁InSb霍尔元件目前年需求量在几亿只。价格确仅有0.3元 人民币左右。该领域是磁敏传感器用量最大的领域，但是 在国内目前未形成工业化生产
• 目前国内磁敏传感器还没有应用到汽车电子、航空航天领 域，磁敏传感器生产厂商的产能利用率还比较低
一、霍耳磁敏传感器(以下内容部分取自网上) （一）霍耳效应
实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘 积IB。
设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I 和霍耳电势VH的关系式
VH
RH d
BI
KI I
同样，若给出控制电压V，由于V=RI，可得控制电压和霍耳电势的关系式
VH
RH Rd
a
第四章 磁敏传感器
磁敏传感器是把磁学物理量转换为电信号的元器件或装置
分类：
磁 力 式： 悬丝式磁力仪、刃口式磁力仪 电磁感应： 感应式传感器、饱和式 磁电效应： 磁敏二极管、磁敏晶体管、磁敏电阻、霍尔器件 磁 共 振：核磁共振（质子旋进式）、电子顺磁共振（光泵式） 超 导 式：直流 SQUID、射频 SQUID 磁光效应：磁致伸缩、法拉第磁光效应、磁力作用
器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。 电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。
霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或 输出端。 若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或 霍耳负载。
电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控 制内阻。
霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧 内部电阻。
a
2009年版中国磁敏传感器市场竞争研究报告
• 信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公 自动化、家用电器、医疗仪器等的飞速发展和电子计算机 应用的普及，为磁敏传感器的快速发展提供了机会，全球 形成了相当可观的磁敏传感器产业
• 根据数据：全世界2012年仅车载微电机系统磁传感器全球 供货 将达到9亿3千万只（88亿美元）
关于霍耳器件符号，名称及型号， 国内外尚无统一规定，为叙述方便 起见，暂规定下列名称的符号。
C A
C
C
BA
BA B
H
D
D
D
图2.6-4 霍耳器件符号
I
B
V
R E
IH R3 VH
控制电流I； 霍耳电势VH； 控制电压V； 内阻R2； 可调电阻R； 霍耳负载电阻R3；
霍耳电流IH。
霍耳器件的基本电路
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。
q—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。
同时，作用于电子的电场力
fE qEH qVH / w
当达到动态平衡时
qvB qVH / w
电流密度 j=nqv
I jw d nqvw d
n—N型半导体 中的电子浓度
N型半导体 v I / nqw d
代入前式
VH IB / nqd
BV
K1 R
V1
KVV
上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈
线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完 全呈线性关系。
（四）、基本特性
1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。
2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：
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。
Ｂ
－－－
－ －－
I
+
+
+
+
+
+
w
+++ l
++ +
霍耳效应原理图
d VH
（二）霍耳磁敏传感器工作原理
设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。 又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施 加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力
f L qvB