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 B

υ=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

H

E

H H

F qE

=

H

qE q B

υ

=

所以霍尔电场的强度为

H

E B

υ

=（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H

U

H H H

U E W U BW

υ

==

或

当材料中的电子浓度为n时

（6-3）

/()

I nqHW

υ=

1

H

I

U BW BW IB

nqHW nqH

υ

===

➢设---霍尔系数，得

➢设---霍尔灵敏度，则

1

H

I

U BW BW IB

nqHW nqH

υ

===

1

H

R

nq

=（6-5）

H

H

R

K

H

=

H

H H

R

U IB K IB

H

==

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

H

H

R

U IB

H

=

（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/nq

⑵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

H

H H

R

U IB K IB

H

==

/2

L W=

)

/

(W

L

f

L/W0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0

f(L/W)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996

(/)

H H

U K IBf L W

=