1第五節磁敏傳感器一、霍爾元件

霍爾效應——將導電體薄片置于磁感應強度為B磁場中，假如在a、b端通以電流I，則在c、d端就會出現電位差。abcd

霍爾效應原理：在磁感強度為B磁場中，電荷為q、運動速度為帶電粒子，所受磁場力——洛侖茲力，為

CP磁敏傳感器第1頁2霍爾電勢UH為霍爾常數磁感應強度電流與磁場方向夾角★霍爾元件普通由鍺(Ge)、銻化銦(InSb)等半導體材料制成。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖示。將霍爾片、穩壓電源、溫度賠償電路和信號處理電路集成在同一個芯片上，即組成線性霍爾傳感器。

CP磁敏傳感器第2頁3★霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動輸出）兩種電路。★開關型霍爾傳感器：由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和集電極開路輸出等部分組成。CP磁敏傳感器第3頁4關于施密特觸發器施密特觸發器工作特點：

①施密特觸發器屬于電平觸發器件，適合用于遲緩改變信號，當輸入信號到達某一定電壓值時，輸出電壓會發生突變。

②電路有兩個閾值電壓。輸入信號增加和降低時，電路閾值電壓不一樣，電路含有以下列圖所表示傳輸特征。VT+VT_VT+VT_vovIvovICP磁敏傳感器第4頁5門電路組成施密特觸發器vIVT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a)工作波形(b)傳輸特征曲線vI1CP磁敏傳感器第5頁6霍爾傳感器應用1）直流無刷電機位置傳感器，檢測轉子位置，以實現換向霍爾元件H2面向轉子N極方向H2導通為低電平功率管VT2導通繞組W2經過電流IW2S轉子順時針旋轉CP磁敏傳感器第6頁72）測轉角CP磁敏傳感器第7頁82）測轉角CP磁敏傳感器第8頁93）電流傳感器/鉗形表

當電流流過導線時，將在導線周圍產生磁場，磁場大小與流過導線電流大小成正比，這一磁場能夠經過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測。

CP磁敏傳感器第9頁10葉片和齒輪位置傳感器4）葉片和齒輪位置傳感器CP磁敏傳感器第10頁115）汽車速度測量CP磁敏傳感器第11頁121一軸2一外殼3—電路4一定子5—線圈6一霍爾元件7一永磁轉子6）電動自行車/霍爾電機CP磁敏傳感器第12頁137）鐵磁材料裂紋檢測

NSCP磁敏傳感器第13頁14案例：輸油管檢測用管道豬(Pigging)CP磁敏傳感器第14頁15霍爾元件能夠用來測量磁場強度、位移、力、速度、角度等。其特點是體積小、使用間便、無接觸測量，但受溫度影響較大，在做精密測量時應作溫度賠償。二、磁敏電阻★磁阻效應——當一載流導體置于磁場中時，其電阻會隨磁場而改變。磁敏電阻就是基于磁阻效應工作。★磁阻效應是伴隨霍爾效應同時發生一個物理現象。運動電荷在磁場中受到洛侖茲力作用而發生偏轉后，其從一個電極到另一個電極所經過路徑，要比無磁場作用時所經過路徑長些，所以增加了電阻率。★磁阻效應與半導體材料遷移率，幾何形狀相關。普通遷移率愈高，元件長寬比愈小，磁阻效應愈大。★制造磁敏電阻材料：銻化銦(InSb),砷化銦(InAs)等。CP磁敏傳感器第15頁16★磁電阻測量試驗外接電阻磁阻器R12VNS

處于磁場中磁阻器件和一個外接電阻串聯，接在恒流源分壓電路中，經過對R調整能夠調整磁阻器件中電流大小，電壓表聯接1或2能夠分別監測外接電阻電壓和磁阻器件電壓。★實用磁敏電阻在無磁場時初始電阻值R0可達幾百歐姆，在磁感應強度B=1.0T時，其阻值RB與R0比值可高達12左右。CP磁敏傳感器第16頁17★磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響很大，制作工藝難度大，應用受到限制。三、磁敏管1磁敏二極管

（1）磁敏二極管結構

有硅磁敏二級管和鍺磁敏二級管兩種。與普通二極管區分：普通二極管PN結基區很短，以防止載流子在基區里復合，磁敏二級管PN結卻有很長基區，大于載流子擴散長度，但基區是由靠近本征半導體高阻材料組成。普通鍺磁敏二級管用ρ=40Ω?cm左右P型或N型單晶做基區(鍺本征半導體ρ=50Ω?cm)，在它兩端有P型和N型鍺，并引出，若γ代表長基區，則其PN堅固際上是由Pγ結和Nγ結共同組成。以2ACM—1A為例，磁敏二級管結構是P+—I—N+型。CP磁敏傳感器第17頁18+（b）H+H-N+區p+區I區r區電流（a）磁敏二極管(a)結構(b)電路符號

在高純度鍺半導體兩端用合金法制成高摻雜P型和N型兩個區域，并在本征區（I）區一個側面上，設置高復合區(利用噴砂打毛，形成粗糙表面，稱為r面。因為粗糙表面處輕易使電子—空穴對復合而消失，故r面是高復合區，也稱為r區)，而與r區相正確另一側面，保持為光滑無復合表面。這就組成了磁敏二極管管芯，其結構如圖。CP磁敏傳感器第18頁19（2）磁敏二極管工作原理

磁敏二極管工作原理PNPNPNH=0H+H-→→→←←←電流電流電流（a）（b）（c）III電子孔穴復合區

當磁敏二極管外加正向偏壓，即P區接電源正極，將有大量空穴從P區注入到I區。若將其放入磁場中，則注入空穴和電子都要受到洛侖茲力作用而發生偏轉。當磁場方向使空穴，電子向r面偏轉時，它們將大量復合，因而電流很小；當磁場方向使空穴，電子向光滑面偏轉時，它們復合率變小，電流就大。故可依據某一偏壓下電流值來確定磁感應強度大小和磁場方向。

當磁敏二極管反向偏置時，在r區僅流過很微小電流，顯得幾乎與磁場無關。因而二極管兩端電壓不會因受到磁場作用而有任何改變。CP磁敏傳感器第19頁20磁敏二極管優點：1）靈敏度高，約為霍爾元件數百甚至上千倍；2）可識別磁場方向，且線路簡單，功耗小。缺點：靈敏度與磁場關系呈線性范圍比較窄，且受溫度影響大。2磁敏三極管（1）磁敏三極管結構在弱P型或弱N型本征半導體上用合金法或擴散法形成發射極、基極和集電極。基區較長。基區結構類似磁敏二極管，有高復合速率r區和本征I區。長基區分為運輸基區和復合基區。cN+eH-H+bIrN+P+(a)結構bce(b)符號CP磁敏傳感器第20頁21

當磁敏三極管末受磁場作用時，因為基區寬度大于載流子有效擴散長度，大部分載流子經過e-I-b形成基極電流，少數載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流情況，使β＜l。（1）磁敏三極管工作原理N+N+eP+xIrbycCP磁敏傳感器第21頁22N+N+eP+xIrbycH+N+N+eP+xIrbycH-

由此可知、磁敏三極管在正