第4章 磁敏传感器讲解材料

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)。
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若控制电流值固定，则： U来自百度文库＝KBB KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵
VH＝ KH I B cosθ
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电流极 三、霍尔元件的结构
霍尔电极
D
A
B
s
5.4
2.7
C
0.2 0.3 0.5 （a）
2.1
w
A
l
R4
（b）
d
D R1 R2
B
R4 R3 C
（c）
(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
4.1 磁敏传感器的物理基础
1、磁现象：磁荷不能单独存在，必须N、S成对 存在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等 于零，即divB=0
2、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的关 系：F=e(E+vB)=eE+evB
3、磁通变化与电动势的关系：
Ed dB
dt dt
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控制电压V；
R E
霍尔负载电阻R3；
霍尔电流IH。
霍尔器件的基本电路
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。霍尔输出端接负载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
垂直通过霍尔器件。
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霍尔元件输入输出电路： 1、恒压工作：
➢端子C、D称为霍尔端或输出端。
➢实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。
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四、主要技术参数及特性
（1）额定激励电流 IH ——霍尔元件的允许温升规定着一个最 大控制电流。
（2）不平衡电势U0 不等位电势、零位电势 ——IH、B=0、空载霍尔电势
特点：性能差，适用于对精度要求不高的地方 性能差的原因：霍尔元件输入电阻随温度变化和
磁阻效应的影响。 2、恒流工作:
特点：充分发挥霍尔传感器的性能；没有霍尔元 件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。 3、差分放大： 特点：能去除霍尔输出的同相电压
敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度 对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。
若磁场值固定，则： UH＝KI I KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位
磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。
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五、基本电路
IH
I
B
V
控制电流I； R3 VH 霍尔电势VH；
EvBU bHEvBUHbvB
In e b d
U H B bn Ie B dR HId BK H IBRH
1 ne
式中：ρ—电阻率、n—电子浓度 μ—电子迁移率μ=υ/E
单位电场强度作用下载流子运动速度。
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• 在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁
➢ 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所 以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm)。
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注：
1、当电流I的方向或磁场的方向改变时，输出电 势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时 输出电势不改变方向。
2、如果磁场和薄片法线有θ角，那么 ：
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讨论： ➢ 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是
都可以制造霍尔元件; • 绝缘材料电阻率ρ很大，电子迁移率μ很小，不适用；
• 金属材料电子浓度n很高，RH很小，UH很小,不适用; • 半导体材料电阻率ρ较大RH大，非常适于做霍尔元件，半
导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元 件多采用 N 型半导体（多电子）;
场电方势向称)为建霍立尔电电场势，U称H。为霍尔电场EH，相应的
UH
RH
IB d
UH＝ KH I B
RH—霍尔系数，由载流材料的物理性质决定； kH—灵敏度系数，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
的霍尔电势的大小；
d —薄片厚度。
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磁场 磁敏传感器 电能
测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴
随磁场改变其运动方向
结构
体型 —— 结型 ——
霍尔传感器 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管
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原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良
（3）输入电阻Ri 、输出电阻R0 Ri —— 控制电流电极间的电阻 R0 —— 输出霍尔电势电极间的电阻
B=0 欧姆表
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（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
兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子 积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后 断面间形成电场。
• 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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fl e (v B ) fE e E
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二、霍尔元件工作原理：
如图所示N型半导体薄片，于垂直方向上施加磁
感应强度为B的磁场，在薄片左右两端通以控制电
流I。
B
UH
fl
b
v
fE
d
I
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分析：
• 半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方
向运动。
• 由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力fL(洛仑
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材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟
灵敏度低、温度 特性及线性度好
灵敏度最高、 受温度影响大
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C
A B
C
A
B
H
C AB
D D
D
霍尔器件符号
➢霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。
➢电流端子A、B称为器件电流端、控制电流端。