第八章磁電傳感器

本章主要學習霍爾傳感器、磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管。

霍爾元件是一種四端元件8.1霍爾元件的結構及工作原理

半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。

磁感應強度B為零時的情況cdab磁感應強度B較大時的情況

作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：

EH=KHIB霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，這時的霍爾電勢為

EH=KHIBcos

結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

霍爾元件的主要外特性參數

最大磁感應強度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負的多少高斯至正的多少高斯？線性區最大激勵電流IM:

由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？5μA0.1mA2mA80mA

霍爾元件連接方式和輸出電路1.基本測量電路在測量中，可以把電流I、磁場強度B或者IB作為輸入信號，來測量輸出電勢。2.連接方式a.直流供電。控制電流并聯，由W1、W2調節兩個元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單塊的兩倍。b.交流供電。控制電流串聯，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。3.霍爾電勢的輸出電路作線性測量時，最好選靈敏度低一點、不等位電勢小、穩定性和線性度優良的霍爾元件。作開關使用時，要選擇靈敏度高的霍爾元件。見書中兩例。四、霍爾元件的測量誤差和補償方法造成測量誤差的主要因素有兩類：半導體的固有特性；半導體制造工藝的缺陷。其表現為零位誤差和溫度引起的誤差。1.零位誤差及補償方法在加控制電流但不加外磁場時出現的霍爾電勢稱為零位誤差。制造工藝問題造成的不等位電勢是主要的零位誤差。如圖a，當控制電流I流過時，即使未加外磁場，A，B兩電極此時仍存在電位差，此電位差稱為不等位電勢U0。可以把霍爾元件等效為一個四臂電橋，如圖b幾種常用的補償方法。2.溫度誤差及其補償因為半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此，會導致霍爾元件的內阻、霍爾電勢等也隨溫度而變化，這種變化的程度隨不同半導體材料有所不同。溫度高到一定程度時，產生的變化相當大。常采用的補償電路有：（1）利用輸出回路并聯電阻進行補償補償電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為：利用輸入回路的串聯電阻進行補償霍爾傳感器的應用

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數，即EH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。霍爾式接近開關

用霍爾IC也能完成接近開關的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變為低電平，經驅動電路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC）起到限位的作用。霍爾式接近開關用于轉速測量演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關型霍爾ICT8.2.1磁阻效應當載流導體置于磁場中，其電阻會隨磁場而變化的現象。當溫度恒定時，在磁場中，磁阻與磁感應強度B的平方成正比。如果器件只有在電子參與導電的情況下，理論推導出來的磁阻效應方程為：8.2磁敏電阻器電阻率的相對變化可以看出，在磁感應強度Ｂ一定時，遷移率越高的材料（如InSb、InAs、NiSb等半導體材料）磁阻效應越明顯。從微觀上講，材料的電阻率增加是因為電流的流動路徑因磁場的作用而加長所致。7.3.2磁敏電阻的結構磁阻效應除了與材料有關外，還與磁敏電阻的形狀有關。在恒定磁感應強度下，磁敏電阻的長度與寬度的比越小，電阻率的相對變化越大。8.2.3磁阻元件的主要特性1.靈敏度特性磁敏電阻的靈敏度一般是非線性的，且受溫度的影響較大。磁阻元件的靈敏度特性用在一定磁場強度下的電阻變化率來表示，即磁場—電阻變化率特性曲線的斜率。在運算時常用RB/R0求得，R0表示無磁場情況下磁阻元件的電阻值，RB為施加0.3T磁感應強度時磁阻元件的電阻值。8.2.4磁敏傳感器的應用

磁敏電阻：半導體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現象稱為磁阻效應，利用磁阻效應制成的元件稱為磁敏電阻。

磁敏電阻可用于測量地球磁場的方向及強度的變化。

指南針只能指示地球磁場的方向。磁阻式電子羅盤磁敏電阻IC及其應用線性磁阻位置傳感器磁敏電阻的應用

根據鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監測，停車場檢測，車輛位置監測，紅綠燈控制等。

利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）

磁敏電阻（聚四氟乙烯封裝）

磁力探礦儀的使用磁敏電阻小型探礦儀

上海直川信息技術有限公司研制的磁阻探礦儀及數據統計曲線圖磁阻IC用于轉速測量磁力線集中磁力線分散磁阻IC用于筆式驗鈔器驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描磁敏二極管的P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個較長的本征區I。本征區I的一面磨成光滑的無復合表面（為I區），另一面打毛，設置成高復合區（為r區），因為電子—空穴對易于在粗糙表面復合而消失。7.4.1磁敏二極管的工作原理和主要特性7.4磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管的結構+－圖磁敏二極管結構示意圖（a）結構（b）符號P+N+I區r區當磁敏二極管末受到外界磁場作用時，外加正向偏壓后，則有大量的空穴從P區通過I區進