第6章磁电式传感器解析

学习目的➢掌握霍尔传感器的工作原理与特性，熟悉霍尔传感器件➢了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元件的工作原理和特性6.1 概述6.2 霍尔式传感器的工作原理与特性6.3 磁敏传感器6.4 磁电式传感器的应用本章小结复习思考题主要内容6.1 概述➢磁电感应式传感器是通过磁电转换将被测非电量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器。

➢1820年奥斯特首次通过实验发现电流的磁效应。

1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律。

根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。

最简单的把磁信号转换为电信号的磁电传感器就是线圈。

随着科技发展，现代磁电传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用在被测物上，使物质的电性能发生变化的物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。

➢磁电式传感器的种类较多，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。

本章主要介绍霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等常用半导体磁传感器的原理、特性和应用。

➢1879 年，美国物理学家霍尔经过大量的实验发现：如果让恒定电流通过金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁场强度成正比的电动势。

这个现象后来被人们称为霍尔效应。

但是由于这种效应在金属中非常微弱，当时并没有引起人们的重视。

1948 年以后，由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了砷化稼、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。

➢用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。

霍尔传感器可以做得很小（几个平方毫米），可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将它卡在环形铁心中，可以制成大电流传感器。

它还广泛用于无刷电动机、高斯计、接近开关、微位移测量等。

它的最大特点是非接触测量。

其它类型的磁电感应式传感器很多，常用的有磁敏电阻与磁敏传感器等。

磁敏电阻一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测或在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、移位电压变换器等电路中作控制元件，还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器用。

磁敏二极管和磁敏晶体管多用于检测弱磁磁场，无触点开关，位移测量，转速测量等。

6.2 霍尔传感器的工作原理与特性6.2.1 霍尔效应➢在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍尔效应。

利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。

所产生的电动势称为霍尔电势。

➢如图6-1所示，在长、宽、高分别为L 、W 、H 的半导体薄片的相对两侧a 、b 通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B 。

设图中的材料是N 型半导体，导电的载流子是电子。

在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c 侧指向d 侧方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。

洛仑兹力用表示，大小为：L F q Bυ=v 电子电荷量载流子的运动速度磁感应强度➢在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成正电荷的积累。

这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场,称为霍尔电场。

该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。

当电场力（）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。

这时有HEH HF qE=HqE q Bυ=所以霍尔电场的强度为HE Bυ=（6-2）在c与d两侧面间建立的电动势差称为霍尔电势，用表示HUH H HU E W U BWυ==或当材料中的电子浓度为n时（6-3）/()I nqHWυ=1HIU BW BW IBnqHW nqHυ===➢设---霍尔系数，得➢设---霍尔灵敏度，则1HIU BW BW IBnqHW nqHυ===1HRnq=（6-5）HHRKH=HH HRU IB K IBH==反映材料霍尔效应的强弱，是由材料性质所决定的一个常数大小霍尔灵敏度，它表示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势的大小HHRU IBH=（6-6）霍耳电势与材料的关系通过以上分析，可以看出⑴霍耳电压U H大小与材料的性质有关。

一般来说，金属材料n较大，导致R H和K H变小，故不宜做霍耳元件。

霍耳元件一般采用N型半导体材料。

R H=1/nq⑵霍耳电压U H与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：1）根据式，H愈小，K H愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。

但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。

2）元件的长宽比对U H也有影响。

L/W加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。

但如果L/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使U H下降，通常要对式（6-6）加以形状效应修正：(6-7）式（6-7）中，为形状效应系数，其修正值如下表所示。

通常取HH HRU IB K IBH==/2L W=)/(WLfL/W0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0f(L/W)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996(/)H HU K IBf L W=霍耳电势与材料的关系3）霍耳电压U H与控制电流及磁场强度有关。

根据式U H正比于I及B。

当控制电流恒定时，B愈大，U H愈大。

当磁场改变方向时，U H也改变方向。

同样，当霍耳灵敏度K H及磁感应强度B恒定时，增加控制I,也可以提高霍耳电压的输出。

但电流不宜过大，否则，会烧坏霍耳元件。

HH HRU IB K IBH==6.2.2 霍尔元件的结构和主要参数➢霍尔元件是一种四端型器件，如图6-2所示，它由霍尔片、4根引线和壳体组成。

霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mm×2mm×0.1 mm。

通常为红色的两个引线A、B 为控制电流，C、D 两个绿色引线为霍尔电势输出线。

图6-2 霍尔元件主要特征参数（1）额定控制电流I：使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值。

（2）输入电阻：指控制电极间的电阻值。

（3）输出电阻：指霍尔电势输出极之间的电阻值。

（4）最大磁感应强度：磁感应强度超过时，霍尔电势的非线性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。

iRORmBmB（5）不等位电势：在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势。

它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，如图6-3所示。

使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。

图6-3 霍尔元件的不等位电势（6）霍尔电势温度系数：在磁感应强度及控制电流一定清况下，温度变化l ℃相应霍尔电势变化的百分数。

它与霍尔元件的材料有关，一般为0.1﹪/℃左右。

在要求较高场合，应选择低温漂的霍尔元件。

6.2.3 集成霍尔传感器➢将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成传感器。

有些霍尔传感器的外形与DIP 封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。

➢类型：分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。

1、霍尔线性集成传感器这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。

这种传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路，如图6-4 所示。

2. 开关型霍尔集成传感器➢开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和开关输出等部分组成，其内部结构框图如图6-5所示。

当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电势，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。

当放大后的霍尔电势大于“开启”阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，使晶体管导通，整个电路处于开状态。

当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值仍小于施密特的“关闭”阈值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使晶体管截止，电路处于关状态。

这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。

图6-5 霍尔开关集成传感器内部结构框图霍耳元件其他符号及代号国产器件常用H代表霍耳元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品的序号。

如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍耳元件；HT-1元件，说明是用锑化铟（InSb）材料制成的元件。

II6.3磁敏传感器6.3.1 磁敏电阻1. 磁阻效应➢磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。

将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场变化，这种现象称为磁阻效应。

➢在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图6-8a所示。

当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角，如图6-8b所示。

这使电流流通的途径变长，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。

电极间的距离越长，电阻的增长比例就越大，所以在磁阻元件的结构中，大多数是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插入金属电极和金属边界。

磁阻效应的表达式➢当温度恒定，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度的平方成正比。

对于只有电子参与导电的最简单情况，理论推出磁阻效应的表达式为)273.01(22BBμρρ+=磁感应强度电子迁移率磁感应强度为B时的电阻率（6-8）设电阻率的变化为Bρρρ∆=-则电阻率的相对变化为222/0.273()B k Bρρμμ∆==（6-9）➢由上式可知，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。

InSb（锑化铟）和InAs（砷化铟）等半导体的载流子迁移率都很高，更2. 磁敏电阻的形状➢磁阻效应除与材料有关外，还与磁阻器件的几何形状及尺寸密切相关➢在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长与宽的比越小，电阻率的相对变化越大。

考虑到形状影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可用下式近似表示➢（6-10）➢式中—形状效应系数，L,b分别为磁阻器件的长度和宽度。

➢除长方形磁阻器件外，还有圆盘形磁阻器件，其中心和边缘各有一个电极，如图6-9 所示。

这种圆盘形磁阻器件称为科尔比诺圆盘。

这时的效应称科尔比诺效应。

因为圆盘的磁阻最大，故大多磁阻器件做成圆盘结构。

)]/(1[)(/2blfBk-=∆μρρ)/(blf磁阻元件3. 磁敏电阻的基本特性(1)B-R特性。

它由无磁场时的电阻和磁感应强度B时的电阻来表示。

随元件形状不同而异，约为数十欧至数千欧，随磁感应强度变化而变化。

图6-10为磁敏电阻的特性曲线。

在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化。

图6-10 磁敏电阻的B-R特性（2）灵敏度K 磁敏电阻的灵敏度可由下式表示：（6-11）式中——磁感应强度为0.3T时的值；——无磁场时的电阻值。

一般情况下，磁敏电阻的灵敏度K≥2.7。

（3）温度系数磁敏电阻的温度系数约为-2％/℃，这个值较大。

为补偿磁敏电阻的温度特性，可采用两个元件串联成对使用，用差动方式工作。