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1、第3章半导体传感器第1页，共62页，编辑于2022年，星期一 1霍尔效应霍尔效应 长长为为L、宽宽为为b、厚厚为为d 的的导导体体（或或半半导导体体）薄薄片片，被被置置于于磁磁感感应应强强度度为为B的的磁磁场场中中（平平面面与与磁磁场场垂垂直直），在在与与磁磁场场方方向向正正交交的的两两边边通通以以控控制制电电流流 I，则则在在导导体体另另外外两两边边将将产产生生一一个个大大小小与与控控制制电电流流 I 和和磁磁感感应应强强度度 B乘乘积积成成正正比比的的电电势势UH，且且UHKHIB，其其中中KH为为霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度。这这一一现现象象称称为为霍霍尔尔效效应应,该该电电势势称称
2、为为霍霍尔尔电电势势,半导体薄片就是霍尔元件。半导体薄片就是霍尔元件。2工作原理工作原理 霍霍尔尔效效应应是是导导体体中中自自由由电电荷荷受受洛洛仑仑兹兹力力作作用用而而产产生生的的。设设霍霍尔尔元元件件为为N型型半半导导体体，当当它它通通以以电电流流 I 时时，半半导导体体中中的的电电子子受受到到磁磁场场中中洛洛仑仑兹兹力力FL的的作作用用，其其大大小小为为式中式中为电子速度，为电子速度，B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在FL的作用下，电的作用下，电子向垂直于子向垂直于B和和的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。的方向偏移，在器
3、件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。第2页，共62页，编辑于2022年，星期一电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场，为霍尔电场，e 为电为电子电量，子电量，UH为霍尔电势。为霍尔电势。当当FL=FE时，电子的积累达时，电子的积累达到动平衡，即到动平衡，即所以所以 。设流过霍尔。设流过霍尔元件的电流为元件的电流为 I 时，时，式中式中bd为与电流方向垂直的截面积，为与电流方向
4、垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数为单位体积内自由电子数(载流子浓载流子浓度度)。则。则第3页，共62页，编辑于2022年，星期一令令 则则KH为霍尔元件的灵敏度。为霍尔元件的灵敏度。由由上上述述讨讨论论可可知知，霍霍尔尔元元件件的的灵灵敏敏度度不不仅仅与与元元件件材材料料的的霍霍尔尔系系数数有有关关，还还与与霍霍尔尔元元件件的的几几何何尺尺寸寸有有关关。一一般般要要求求霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度越越大大越越好好，霍霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度 d 与与 KH成反比。成反比。RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大
5、于半则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。3霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度令令 则则霍尔电势霍尔电势第4页，共62页，编辑于2022年，星期一 二、霍尔元件的主要技术参数二、霍尔元件的主要技术参数 1额定功耗额定功耗P0 霍霍尔尔元元件件在在环环境境温温度度T25时时，允允许许通通过过霍霍尔尔元元件件的的控控制制电电流流 I 和和工工作作电电压压 V 的的乘乘积积即即为为额额定定功功耗耗。一一般般可可分分为为最最小小、典典型型、最最大大三三档档，单单位位为为mw。当当
6、供供给给霍霍尔尔元元件件的的电电压压确确定定后后，根根据据额额定定功功耗耗可可以以知知道道额额定定控制电流控制电流 I。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。2输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0 Ri是是指指流流过过控控制制电电流流的的电电极极（简简称称控控制制电电极极）间间的的电电阻阻值值，R0是是指指霍霍尔尔元元件件的的霍霍尔尔电电势势输输出出电电极极（简简称称霍霍尔尔电电极极）间间的的电电阻阻，单单位位为为。可以在无磁场即。可以在无磁场即B0时，用欧姆表等测量。时，用欧姆表等测量。3不平衡电势不平衡电势U0 在在额额定定
7、控控制制电电流流 I 之之下下，不不加加磁磁场场时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载霍霍尔尔电电势势称称为为不不平平衡衡(不不等等)电电势势，单单位位为为mV。不不平平衡衡电电势势和和额额定定控控制制电电流流 I 之比为不平衡电阻之比为不平衡电阻r0。4霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化1时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的百分率称为霍尔电势温度系数的百分率称为霍尔电势温度系数，单位为，单位为1。第5页，共62页，编辑于2022年，星期一 5内阻温度系数内阻温度系数 霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件
8、在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电时，输入电阻只阻只Ri与输出电阻与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数变化的百分率称为内阻温度系数，单位为，单位为1。一般。一般取不同温度时的平均值。取不同温度时的平均值。6灵敏度灵敏度KH 其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。第6页，共62页，编辑于2022年，星期一三、霍尔元件连接方式和输出电路三、霍尔元件连接方式和输出电路 1基本测量电路基本测量电路 控控
9、制制电电流流 I 由由电电源源E供供给给，电电位位器器W调调节节控控制制电电流流I的的大大小小。霍霍尔尔元元件件输输出出接接负负载载电电阻阻RL，RL可可以以是是放放大大器器的的输输入入电电阻阻或或测测量量仪仪表表的的内内阻阻。由由于于霍霍尔尔元元件件必必须须在在磁磁场场与与控控制制电电流流作作用用下下，才才会会产产生生霍霍尔尔电电势势UH，所所以以在在测测量量中中，可可以以把把I与与B的的乘乘积积、或或者者 I，或或者者B作作为为输输入入信信号号，则则霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电势势分分别正比于别正比于IB或或 I 或或B。2连接方式连接方式 为为了了获获得得较较大大的的霍霍尔尔输输出出
10、电电势势，可可以以采采用用几几片片叠叠加加的的连连接接方方式式。下下图图(a)为为直直流流供供电电，控控制制电电流流端端并并联联输输出出串串联联。下下图图(b)为为交交流流供供电电，控控制电流端串联变压器叠加输出。制电流端串联变压器叠加输出。第7页，共62页，编辑于2022年，星期一 3霍尔电势的输出电路霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，测量和开关状态两种使用
11、方式，因此，输出电路有如右图所示因此，输出电路有如右图所示两种结构。当霍尔元件作线性两种结构。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一测量时，最好选用灵敏度低一点、不平衡电势点、不平衡电势U0小、稳定性小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。和线性度优良的霍尔元件。例例如如，选选用用KH5mV/mAkGs，控控制制电电流流为为5mA的的霍霍尔尔元元件件作作线线性性测测量量元元件件测测量量1Gs10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为为 UH5mV/mAkGs5mA10-3kGs25V最大输出电势为最大输出电势为 UH5mV/mAkGs5mA10kGs250mV故
12、故要要选选择择低低噪噪声声、低低漂漂移移的的放放大大器器作作为为前前级级放放大大。当当霍霍尔尔元元件件作作开开关关使使用用时时，要要选选择择灵灵敏敏度度高高的的霍霍尔尔器器件件。例例如如，KH20mV/mAkGs，如如果果控控制制电电流流为为2mA，施施加加一一个个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为的磁场，则输出霍尔电势为 UH20mV/mAkGs2mA300G s120mV这时选用一般的放大器即可满足。这时选用一般的放大器即可满足。第8页，共62页，编辑于2022年，星期一四、霍尔元件的测量误差和补偿方法四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍霍尔尔元元件件在在实实际际应应用用时时,存存在在多多
13、种种因因素素影影响响其其测测量量精精度度,造造成成测测量量误误差差的的主主要要因因素素有有两两类类：一一类类是是半半导导体体固固有有特特性性；另另一一类类为为半半导导体体制制造造工工艺艺的的缺缺陷陷。其其表现为零位误差和温度引起的误差。表现为零位误差和温度引起的误差。1零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法 零零位位误误差差是是霍霍尔尔元元件件在在加加控控制制电电流流或或不不加加外外磁磁场场时时，而而出出现现的的霍霍尔尔电电势势称称为为零零位位误误差差。不不平平衡衡电电势势U0是是主主要要的的零零位位误误差差。因因为为在在工工艺艺上上难难以以保保证证霍霍尔尔元元件件两两侧侧的的电电极极焊焊接接在
14、在同同一一等等电电位位面面上上。如如下下图图(a)所所示示。当当控控制制电电流流I流流过过时时，即即使使末末加加外外磁磁场场，A、B两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差，此此电电位位差差被被称称为为不不等位电势（不平衡电势）等位电势（不平衡电势）U0。第9页，共62页，编辑于2022年，星期一 下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如下图桥臂上并联电阻，如下图(a)所示，或在两个桥臂上同时并联如下图所示，或在两个桥臂上同时并联如下图(b)、(c)所示的电阻。所示的电阻。第10页，共62
15、页，编辑于2022年，星期一 2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 由由于于载载流流子子浓浓度度等等随随温温度度变变化化而而变变化化，因因此此会会导导致致霍霍尔尔元元件件的的内内阻阻、霍霍尔尔电电势势等等也也随随温温度度变变化化而而变变化化。这这种种变变化化程程度度随随不不同同半半导导体体材材料料有有所所不不同同。而而且且温温度度高高到到一一定定程程度度，产产生生的的变变化化相相当当大大。温温度度误误差差是是霍霍尔尔元元件件测测量量中中不不可可忽忽视视的的误误差差。针针对对温温度度变变化化导导致致内内阻阻(输输入入、输输出出电电阻阻)的的变变化化，可可以以采采用用对对输输入入或或输出电路的电阻进
16、行补偿。输出电路的电阻进行补偿。(1)利用输出回路并联电阻进行补偿利用输出回路并联电阻进行补偿 在在输输入入控控制制电电流流恒恒定定的的情情况况下下，如如果果输输出出电电阻阻随随温温度度增增加加而而增增大大，霍霍尔尔电电势势增增加加；若若在在输输出出端端并并联联一一个个补补偿偿电电阻阻RL，则则通通过过霍霍尔尔元元件件输输出出电电阻阻输输出出电电阻阻（内内阻阻）R0的的电电流流增增大大，内内阻阻压压降降亦亦增增大大增增大大，输输出出电电压压将将会会减减小小。只只要要适适当当选选据据补补偿偿电电阻阻RL，就就可可达到补偿的目的。达到补偿的目的。第11页，共62页，编辑于2022年，星期一 在温度
17、影响下，元件的输出在温度影响下，元件的输出电阻从电阻从Rt0变到变到Rt，输出电阻，输出电阻Rt和和电势电势UHt应为应为 RtRt0(1+t)；UHtUHt0(1+t)式式中中、为为霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电势势UHt和和输输出出电电阻阻Rt的的温温度度系系数数。此此时时RL上的电压则为上的电压则为补偿电阻补偿电阻RL上电压随温度变化最小的上电压随温度变化最小的条件为条件为 因因此此当当知知道道霍霍尔尔元元件件的的、及及Rt0时时，便便可可以以计计算算出出能能实实现现温温度度补补偿偿的电阻的电阻RL的值。因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。的值。因该指出，这种补偿方法，不能完
18、全消除温度误差。(2)利用输入回路的串联电阻进行补偿利用输入回路的串联电阻进行补偿 霍霍尔尔元元件件的的控控制制回回路路用用稳稳压压电电源源E供供电电，其其输输出出端端处处于于开开路路工工作作状状态态，当当输输入回路串联适当的电阻入回路串联适当的电阻R时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。第12页，共62页，编辑于2022年，星期一 当温度增加时，当温度增加时，霍尔电势的增加霍尔电势的增加值为值为 UH=UHt0t；另；另一方面，元件的输一方面，元件的输入电阻随温度的增入电阻随温度的增加值为加值为 Ri=Rit0t。用稳压源供电时，用稳压源供电时，控制电流和控
19、制电流和输出电输出电势势的减小量为的减小量为全补偿条件：全补偿条件：在在霍霍尔尔元元件件的的、为为已已知知的的条条件件下下，即即可可求求得得R与与Rt0的的关关系系。但但是是，R仍仍然然是是温温度度t的的函函数数。实实际际的的补补偿偿电电路路如如图图9-8(c)所所示示。调调节节电电位位器器W1可可以以消消除除不不等等位位电电势势。电电桥桥由由温温度度系系数数低低的的电电阻阻构构成成，在在某某一一桥桥臂臂电电阻阻上上并并联联热热敏敏电电阻阻Rt。当当温温度度变变化化时时，热热敏敏电电阻阻将将随随温温度度变变化化而而变变化化，使使补补偿偿电电桥桥的的输输出出电电压压UH相相应应变变化化，只只要要
20、仔仔细细调调节节，即可使其输出电压即可使其输出电压UH与温度基本无关。与温度基本无关。第13页，共62页，编辑于2022年，星期一3.1.2 磁敏电阻器磁敏电阻器 磁磁敏敏电电阻阻器器是是基基于于磁磁阻阻效效应应的的磁磁敏敏元元件件。磁磁敏敏电电阻阻的的应应用用范范围围比比较较广广，可可以以利利用用它它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。当当温
21、温度度恒恒定定时时，在在磁磁场场内内，磁磁阻阻与与磁磁感感应应强强度度B的的平平方方成成正正比比。如如果果器器件件只只有有在在电电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为 式中式中 B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率；时的电阻率；0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率；电子迁移率；电子迁移率；B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻率变化为B-0时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为：/0=0.2732B2=K2B2。由由此此可可知知，磁磁场场一一定定时时迁迁移移率率越越高高的的材材料料（如如InSb、I
22、nAs和和NiSb等等半半导导体体材材料料），其磁阻效应越明显。，其磁阻效应越明显。第14页，共62页，编辑于2022年，星期一二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构 磁敏电阻通常使用两种磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜长的元件片上用真空镀膜方法制成，如上图方法制成，如上图(a)所所示的许多短路电极示的许多短路电极(光栅光栅状状)的元件；另一种是在的元件；另一种是在结晶制作过程中有方向性结晶制作过程中有方向性地地析析出出金金属属而而制制成成磁磁敏敏电电阻阻，如如上上图图(b)所所示示。除除此此之之外外，还还有有圆圆盘盘形形，中中心心和和边缘处
23、各有一电极，如上图边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。磁磁阻阻效效应应除除了了与与材材料料有有关关外外，还还与与磁磁敏敏电电阻阻的的形形状状有有关关。若若考考虑虑其其形形状状的的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为式中：式中：L、b分别为电阻的长和宽；分别为电阻的长和宽；为形状效应系数。为形状效应系数。在恒定磁感应强度下，其长度在恒定磁感应强度下，其长度L与宽度与宽度b比越小，则比越小，则/0越大。越大。第15页，共62页，编辑于2022年，星期一 各种形状的磁
24、敏电阻，其磁阻与磁感各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。盘形样品的磁阻最大。磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。确定温度补偿方案。第16页，共62页，编辑于2022年，星期一3.1.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 霍霍尔尔元元件件和和磁磁敏敏电电阻阻均均是是用用N型型半半导导体体材材料料制制
25、成成的的体体型型元元件件。磁磁敏敏二二极极管管和和磁磁敏敏三三极极管管是是PN结结型型的的磁磁电电转转换换元元件件，它它们们具具有有输输出出信信号号大大、灵灵敏敏度度高高、工工作作电电流流小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。一、磁敏二根管的结构和工作原理一、磁敏二根管的结构和工作原理 1结构结构 磁磁敏敏二二极极管管的的P型型和和N型型电电极极由由高高阻阻材材料料制制成成，在在P、N之之间间有有一一个个较较长长的的本本征征区区I，本本征征区区I的的一一面面磨磨成成光光滑滑的的复复合合表表面面(为为I
26、区区)，另另一一回回打打毛毛，设设置置成成高高复复合合区区(为为r区区)，其其目目的的是是因因为为电电子子 空空穴穴对对易易于于在在粗粗糙糙表表面面复复合合而而消消失失。当当通通过过正正向向电电流流后后就会在就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。型的。第17页，共62页，编辑于2022年，星期一 当当磁磁敏敏二二极极管管末末受受到到外外界界磁磁场场作作用用时时，外外加加如如下下图图(a)所所示示的的正正偏偏压压，则则有有大大量量的的空空穴穴从从r区区通通过过I区区进进入入N区区，同同时时也也有有大大量量电电子子注注入入P区区而而
27、形形成成电电流流。只只有有少少量量电电子子和和空空穴穴在在I区区复复合合掉掉。当当磁磁敏敏二二极极管管受受到到如如下下图图(b)所所示示的的外外界界磁磁场场H+(正正向向磁磁场场)作作用用时时，则则电电子子和和空空穴穴受受到到洛洛仑仑兹兹力力的的作作用用而而向向r区区偏偏转转，由由于于r区区的的电电子子和和空空穴穴复复合合速速度度比比光光滑滑面面I区区快快，因因此此，形形成成的的电电流流因因复复合合速速度度加加快快而而减减小小。磁磁场场强强度度越越强强，电电子子和和空空穴穴受受到到洛洛仑仑兹兹力力就就越越大大，单单位位时时间间内内进进入入由由于于r区区而而复复合合的的电电子子和和空空穴穴数数量
28、量就越多，载流子减少，外电路的就越多，载流子减少，外电路的电流越小。电流越小。当磁敏二极管受到如右图当磁敏二极管受到如右图(b)所示的外界磁场片所示的外界磁场片H-(反向磁反向磁场场)作用时，则电子和空穴受作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向到洛仑兹力作用而向I区偏移，区偏移，由于电子、空穴复合率明显变由于电子、空穴复合率明显变小，则外电路的电流变大。小，则外电路的电流变大。利用磁敏二极管的正向导通电利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。性，即可实现磁电转换。第18页，共62页，编辑于2022年，星期一 3磁敏二极管的主要特
29、性磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性磁电待性 在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管输输出出的的电电压压变变化化与与外外加加磁磁场场的的关关系系称称为为磁磁敏敏二二极极管的磁电持性。管的磁电持性。磁磁敏敏二二极极管管通通常常有有单单只只和和互互补补两两种种使使用用方方式式。它它们们的的磁磁电电特特性性如如下下图图所所示示。出出图图可可知知，单单只只使使用用时时，正正向向磁磁灵灵敏敏度度大大于于反反向向；互互补补使使用用时时，正正、反反向向磁磁灵灵敏敏度度曲曲线线对对称称，且在弱磁场下有较好的线性。且在弱磁场下有较好的线性。第19页，共62页，编辑于2022年，星期一 (2)伏安特性伏
30、安特性 磁磁敏敏二二极极管管正正向向偏偏压压和和通通过过电电流流的的关关系系被被称称为为磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性，如如图图所所示示。从从图图可可知知，磁磁敏敏二二极极管管在在不不同同磁磁场场强强度度H下下的的作作用用，其其伏伏安安特特性性将将是是不不一一样样。图图(a)为为锗锗磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性；(b)为为硅硅磁磁敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性。图图(b)表表示示在在较较宽宽的的偏偏压压范范围围内内，电电流流变变化化比比较较平平坦坦；当当外外加加偏偏压压增增加加到到一一定定值值后后，电电流流迅迅速速增增加加、伏伏安安持持性性曲曲线线上升很快，表现出其
31、动态电阻比较小。上升很快，表现出其动态电阻比较小。第20页，共62页，编辑于2022年，星期一 (3)温度特性温度特性 一一般般情情况况下下，磁磁敏敏二二极极管管受受湿湿度度影影响响较较大大，即即在在一一定定测测试试条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变化化量量U，或或者者在在无无磁磁场场作作用用时时，中中点点电电压压Um随随温温度度变变化化较较大大。因因此此，在在实实际际使使用用时时，必必须须对对其其进进行行温度补偿。温度补偿。互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背
32、磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。还能提高磁灵敏度。第21页，共62页，编辑于2022年，星期一 差分式电路差分式电路 如如下下图图(c)所所示示。差差分分电电路路不不仅仅能能很很好好地地实实现现温温度度补补偿偿，提提高高灵灵敏敏度度，还还可可以以弥弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻
33、补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和和R2。全桥电路全桥电路全全桥桥电电路路是是将将两两个个互互补补电电路路并并联联而而成成。和和互互补补电电路路一一样样，其其工工作作点点只只能能选选在在小小电电流流区区。该该电电路路在在给给定定的的磁磁场场下下，其其输输出出电电压压是是差差分分电电路路的的两两倍倍。由由于于要要选选择择四四只只性性能能相相同同的的磁磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。敏二极管，会给实际使用带来一些困难。热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 如如下下图图(e)所所示示。该该电电路路是是利利用用热热敏敏电电阻阻随随温温度度的的变变化化，而而使使Rt和和D的的分分压
34、压系系数数不不变变，从从而而实实现现温温度度补补偿偿。热热敏敏电电阻阻补补偿偿电电路路的的成成本本略略低低于于上上述述三三种种温温度度补补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。第22页，共62页，编辑于2022年，星期一 二、磁敏三极管的结构和工作原理二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 在在弱弱P型型或或弱弱N型型本本征征半半导导体体上上用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成发发射射极极、基基极极和和集集电电被被。其其最最大大特特点点是是基基区区较较长长，基基区区结结构构类类似似磁磁敏敏二二极极管管，也也有有高高复
35、复合合速速率率的的r区区和和本本征征I区区。长长基基区区分分为为输输运运基基区区和和复复合基区。合基区。2磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流极，因而基极电流大于集电极电流。大于集电极电流。当受到正向磁场当受到正向磁场(H+)作用时，由于磁作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射极场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射极的一侧，导致
36、集电极电流显著下降；当反的一侧，导致集电极电流显著下降；当反向磁场向磁场(H-)作用时，载流子向集电极一作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。集电极电流出现明显变化。第23页，共62页，编辑于2022年，星期一 3.磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主要特性 (1)磁电特性磁电特性 磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁电电特特性性是是应应用用的的基基础础，是是主主要要特特性性之之一一。例例如如，国国产产NPN型型3BCM（锗锗）磁磁敏敏三三极极管管的的磁磁
37、电电特特性性，在在弱弱磁磁场场作作用用下下，曲曲线线接接近近一一条条直直线，如左下图所示。线，如左下图所示。(2)伏安特性伏安特性 磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性类类似似普普通通晶晶体体管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线。右右下下图图(a)为为不不受受磁磁场场作作用用时时，磁磁敏敏三三极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线；右右下下图图(b)是是磁磁场场为为1kG s，基基极极为为3mA时时，集集电电极极电电流流的的变变化化。由由该该图图可可知知，磁磁敏敏三三极极管管的的电电流流放放大大倍倍数小于数小于1。第24页，共62页，编辑于2022年，星期一 (3)温度特性及其补偿温度特性及其补
38、偿 磁磁敏敏三三极极管管对对温温度度比比较较敏敏感感，实实际际使使用用时时必必须须采采用用适适当当的的方方法法进进行行温温度度补补偿偿。对对于于锗锗磁磁敏敏三三极极管管，例例如如，3ACM，3BCM，其其磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系数数为为0.8/；硅硅磁磁敏敏三三极极管管(3CCM)磁磁灵灵敏敏度度的的温温度度系系数数为为-0.6/。对对于于硅硅磁磁敏敏三三极极管管可可用用正正温温度度系系数数的的普普通通硅硅三三极极管管来来补补偿偿因因温温度度而而产产生生的的集集电电极极电电流流的的漂漂移移。具具体体补补偿偿电电路路如如图图(a)所所示示。当当温温度度升升高高时时，BG1管管集集电电极极
39、电电流流Ic增增加加，导导致致BGm管管的的集集电电极极电电流流也也增增加，从而补偿了加，从而补偿了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。图图(b)是是利利用用锗锗磁磁敏敏二二极极管管电电流流随随温温度度升升高高而而增增加加的的这这一一特特性性使使其其作作硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的负负载载，当当温温度度升升高高时时，可可以以弥弥补补硅硅磁磁敏敏三三极极管管的的负负温温度度漂漂移移系系数数所所引引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，如图组成的差
40、分电路，如图(c)所示，这种电路既所示，这种电路既可以提高磁灵敏度，又可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是能实现温度补偿，它是一种行之有救的温度补一种行之有救的温度补偿电路。偿电路。第25页，共62页，编辑于2022年，星期一3.1.4 磁敏式传感器应用举例磁敏式传感器应用举例 一、霍尔位移传感器一、霍尔位移传感器 霍霍尔尔位位移移传传感感器器可可制制作作成成如如图图(a)所所示示结结构构。在在极极性性相相反反、磁磁场场强强度度相相同同的的两两个个磁磁钢钢的的气气隙隙间间放放置置一一个个霍霍尔尔元元件件。当当控控制制电电流流I恒恒定定不不变变时时，霍霍尔尔电电势势UH与与外外磁磁感感应应强
41、强度度成成正正比比；若若磁磁场场在在一一定定范范围围内内沿沿x方方向向的的变变化化梯梯度度dB/dx如如图图(b)所所示示为为一一常常数数时时，则则当当霍霍尔尔元元件件沿沿x方方向向移移动动时时，霍霍尔尔电电势势变变化化也也应应是是一一个个常常数数K（位位移移传传感感器器的的输输出灵敏度）：出灵敏度）：即即UHKx。这说明霍尔电势与位移。这说明霍尔电势与位移量成线性关系。其输出电势的极性量成线性关系。其输出电势的极性反映了元件位移方向。磁场梯度越反映了元件位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。输出线性度越好。当当x0时，则元时，则元
42、件置于磁场中心位置，件置于磁场中心位置，UH0。这种。这种位移传感器一般可测量位移传感器一般可测量12mm的的微小位移，其特点是惯性小，响应微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原速度快，无接触测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。力、压力、加速度、液位和压差等。第26页，共62页，编辑于2022年，星期一二、汽车霍尔点火器二、汽车霍尔点火器 上上图图是是霍霍尔尔电电子子点点火火器器结结构构示示意意图图。将将霍霍尔尔元元件件(图图中中之之3)固固定定在在汽汽车车分分电电器器的的白白金金座座上上，在在分分火
43、火点点上上装装一一个个隔隔磁磁罩罩1，罩罩的的竖竖边边根根据据汽汽车车发发动动机机的的缸缸数数，开开出出等等间间距距的的缺缺口口2，当当缺缺口口对对准准霍霍尔尔元元件件时时，磁磁通通通通过过霍霍尔尔器器件件而而成成闭闭合合回回路路，所所以以电电路路导导通通，如如上上图图(a)所所示示，此此时时霍霍尔尔电电路路输输出出低低电电平平（小小于于等等于于0.4V）；当当罩罩边边凸凸出出部部分分挡挡在在霍霍尔尔元元件件和和磁磁体体之之间间时时，电电路路截截止止，如如上上图图(b)所所示示，霍霍尔尔电电路路输输出出高电平。高电平。霍尔电子点火器原理如下图所示。当霍霍尔电子点火器原理如下图所示。当霍尔传感器
44、输出低电平时，尔传感器输出低电平时，BG1截止，截止，BG2、BG3导通，点火线圈的初级有一恒定电流通导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过。当霍尔传感器输出高电平时，过。当霍尔传感器输出高电平时，BG1导通，导通，BG2、BG3截止，点火器的初级电流截断，截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式输出，即放电点火。以高压放电形式输出，即放电点火。汽车霍尔电子点火器，由于它无触汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前各种车速，冷起
45、动性能好等特点，目前国外已广泛采用。国外已广泛采用。第27页，共62页，编辑于2022年，星期一 三、磁敏二报管漏磁探伤仅三、磁敏二报管漏磁探伤仅 磁磁敏敏二二极极管管漏漏磁磁探探伤伤仪仪是是利利用用磁磁敏敏二二极极管管可可以以检检测测弱弱磁磁场场变变化化的的特特性性而而设设计计的的。原原理理如如图图所所示示。漏漏磁磁探探伤伤仪仪由由激激励励线线圈圈2、铁铁芯芯3、放放大大器器4、磁磁敏敏二二极极管管探探头头5等等部部分分构构成成。将将待待测测物物1(如如钢钢棒棒)置置于于铁铁芯芯之之下下，并并使使之之不不断断转转动动，在在铁铁芯芯、线线圈圈激激磁磁后后，钢钢棒棒被被磁磁化化。若若待待测测钢钢
46、棒棒没没有有损损伤伤的的部部分分在在铁铁芯芯之之下下时时，铁铁芯芯和和钢钢棒棒被被磁磁化化部部分分构构成成闭闭合合磁磁路路，激激励励线线圈圈感感应应的的磁磁通通为为，此此时时无无泄泄漏漏磁磁通通，磁磁场场二二极极管管探探头头没没有有信信号号输输出出。若若钢钢棒棒上上的的裂裂纹纹旋旋至至铁铁芯芯下下，裂裂纹纹处处的的泄泄漏漏磁磁通通作作用用于于探探头头，探探头头将将泄泄漏漏磁磁通通量量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。第28页，共62页，编辑于2022年，星期一四、四、半导体
47、半导体InSbInSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器 半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏无无接接触触电电位位器器是是半半导导体体InSbInSb磁磁阻阻效效应应的的典典型型应应用用之之一一。与与传传统统电电位位器器相相比比,它它具具有有无无可可比比拟拟的的优优点点:无无接接触触电电刷刷、无无电电接接触触噪噪音音、旋旋转转力力矩矩小小、分分辨辨率率高高、高高频频特特性性好好、可可靠靠性性高高、寿寿命命长长。半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏无无接接触触电电位位器器是是基基于于半半导导体体InSbInSb磁磁阻阻效效应应原原理理，由由半半导导体体InSbInSb磁磁敏敏电电阻阻元元件件和和偏
48、偏置置磁磁钢钢组组成成；其其结结构构与与普普通通电电位位器器相相似似。由由于于无无电电刷刷接接触触，故称无接触电位器。故称无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90 该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，
49、即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。如图所示。第29页，共62页，编辑于2022年，星期一 五、锑化铟五、锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用 InSb伪伪币币检检测测传传感感器器安安装装在在光光磁磁电电伪伪币币检检测测机机上上，其其工工作作过过程程如如上上图图所所示示，电路原理图如下图所示。电路原理图如下图所示。电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨没当纸币上的磁性油墨没有进入位置有进入位置1时，设
50、输出变时，设输出变化为零，如果进入位置化为零，如果进入位置1，由于由于R2电阻增大，则输出变化电阻增大，则输出变化为为0.3mV左右；如果进入位置左右；如果进入位置3时，则仍为时，则仍为0；如果进入位置；如果进入位置4，则为则为-0.3mV，如果进入位置，如果进入位置5，则仍为则仍为0，就这样产生输出特性，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效示，就能检测伪币，达到理想效果。果。第30页，共62页，编辑于2022年，星期一3.1.5 新型磁敏传感器新型磁敏传感器 一、巨磁阻效应器件一、巨磁阻效应器件(GMR)巨巨磁磁阻阻效效应应