磁敏传感器讲PPT课件
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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
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。
第八章 磁敏传感器
..2源自.3Ｂ－－－
－ －－
I
－
－
－
－
－
－
b
+++ l
++ +
d
VH
霍耳效应原. 理图
4
.
5
.
6
.
7
.
8
磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器 件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。
一、霍尔磁敏传感器 二、磁敏电阻 三、磁敏二极管和磁敏三极管
.
9
8.1 霍尔磁敏传感器
p—P型半导体 中的空穴浓度
霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：
VH
RH
IB d
RH
1 qn
RH
1 qp
（N型）
（P型）
RH —霍耳系数，由材料物理性质决定。RH
ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率
.
13
电流密度
j=nqv
Ijsjb dnqdvbn—N型半导体 中的电子浓度
.
16
（三）霍耳磁敏传感器（霍尔元件）
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
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。
19
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
B
IKI
I
同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电
势的关系式
VH
电场作用于电子的电场力为
fEqH EqH V/b
电场力与洛仑兹力方向相反，阻止电子继续偏转，当达到动 态平衡时
qvB qVH / b VH vBb
.
12
电流密度
j=nqv
Ijsjb dnqdvbn—N型半导体 中的电子浓度
v b I/nd q V H v b IB /B nqd
P型半导体
VH IB/ pqd
.
18
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。
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。而电子的
迁移率比空穴大，所以以N型半导. 体居多。
14
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：
v b I/nd q V H v b IB /B nqd
P型半导体
VH IB/ pqd
p—P型半导体 中的空穴浓度
霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：
VH
RH
IB d
RH
1 qn
RH
1 qp
（N型）
（P型）
RH —霍耳系数，由材料物理性质决定。RH
ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率
（一）霍耳效应
导体或半导体薄片置于磁场B 中，在相对两侧通以电流I， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁感应 强度B的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。该电势 称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。
Ｂ
－－－
－ －－
I
－
－
－
－
－
－
b
+++ l
++ +
d
VH
霍耳效应原. 理图
10
（二）霍耳磁敏传感器工作原理
RH d
V B
R1
KVV
上两式是霍尔元件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和 霍耳输出电势完全呈线性关系。同理，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。
.
20
（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：可以用元件灵敏度或磁场灵敏度以及电流 灵敏度、电势灵敏度表示：
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。
.
22
3、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。
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。
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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
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。
第八章 磁敏传感器
..2源自.3Ｂ－－－
－ －－
I
－
－
－
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b
+++ l
++ +
d
VH
霍耳效应原. 理图
4
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6
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7
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8
磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器 件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。
一、霍尔磁敏传感器 二、磁敏电阻 三、磁敏二极管和磁敏三极管
.
9
8.1 霍尔磁敏传感器
p—P型半导体 中的空穴浓度
霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：
VH
RH
IB d
RH
1 qn
RH
1 qp
（N型）
（P型）
RH —霍耳系数，由材料物理性质决定。RH
ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率
.
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电流密度
j=nqv
Ijsjb dnqdvbn—N型半导体 中的电子浓度
.
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（三）霍耳磁敏传感器（霍尔元件）
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
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。
19
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
B
IKI
I
同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电
势的关系式
VH
电场作用于电子的电场力为
fEqH EqH V/b
电场力与洛仑兹力方向相反，阻止电子继续偏转，当达到动 态平衡时
qvB qVH / b VH vBb
.
12
电流密度
j=nqv
Ijsjb dnqdvbn—N型半导体 中的电子浓度
v b I/nd q V H v b IB /B nqd
P型半导体
VH IB/ pqd
.
18
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。
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。而电子的
迁移率比空穴大，所以以N型半导. 体居多。
14
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：
v b I/nd q V H v b IB /B nqd
P型半导体
VH IB/ pqd
p—P型半导体 中的空穴浓度
霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：
VH
RH
IB d
RH
1 qn
RH
1 qp
（N型）
（P型）
RH —霍耳系数，由材料物理性质决定。RH
ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率
（一）霍耳效应
导体或半导体薄片置于磁场B 中，在相对两侧通以电流I， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁感应 强度B的乘积成正比的电动势。这一现象称为霍尔效应。该电势 称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。
Ｂ
－－－
－ －－
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－
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+++ l
++ +
d
VH
霍耳效应原. 理图
10
（二）霍耳磁敏传感器工作原理
RH d
V B
R1
KVV
上两式是霍尔元件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和 霍耳输出电势完全呈线性关系。同理，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。
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20
（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：可以用元件灵敏度或磁场灵敏度以及电流 灵敏度、电势灵敏度表示：
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。
.
22
3、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。