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1、 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 第七章第七章 半导体半导体 磁敏传感器磁敏传感器 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章简简简简 介介介介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。按其结构可分为按其结构可分为按其结构可分为按其结构可分为体型和结型体型和结型体型和结型体型和结型两大类。
2、两大类。两大类。两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料InSbInSb(锑锑锑锑化铟化铟化铟化铟)、InAsInAs（砷（砷（砷（砷化铟）、化铟）、化铟）、化铟）、GeGe（锗）、锗）、锗）、锗）、SiSi、GaAsGaAs等和等和等和等和磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻InSbInSb、InAsInAs。结型的有磁敏二极管（结型的有磁敏二极管（结型的有磁敏二极管（结型的有磁敏二极管（GeGe、SiSi），磁敏三极管（），磁敏三极管（），磁敏三极管（），磁敏三极管（SiSi）应用范围可分为模拟用途和数字用
3、途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章主要内容7.1 霍尔传感器霍尔传感器7.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器7.3 磁敏电阻器磁敏电阻器7.4 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管7.5 磁敏式传感器的应用磁敏式传感器的应用 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1 7.1 霍尔传感器霍尔传感器 7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1 7.1 霍尔传感器霍尔传感器 7.1.1 7.1.1 霍尔效
4、应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章图图图图7-1 7-1 7-1 7-1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB7.1 7.1 霍尔传感器霍尔传感器 7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章所以，霍尔电压所以，霍尔电压所以，霍尔电压所以，霍尔电压U UHH可表示为可表示为可表示为可表示为 U UHH=E EHH b=b=vBbvBb (7-3)(7-3)设霍尔元件为设霍尔元件为设霍尔元件为设霍尔元件为N N N N型型型型半导体，当它通电流半导体，当它通电流半导体，当它通电流半
5、导体，当它通电流I I I I时时时时 F FL L=qvBqvB (7-1)(7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEqEHH=qvBqvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 E EHH=vBvB （7-27-2）传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 I=I=dQdQ/dtdt=bdvnqbdvnq得：得：得：得
6、：v=I/v=I/nqbdnqbd (7-4)(7-4)所以：所以：所以：所以：U UHH=BI/=BI/nqdnqd 若取若取若取若取 R RH H=1 1/nqnq 则则则则 R RHH被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数霍尔系数霍尔系数。显然，。显然，。显然，。显然，霍尔系数由霍尔系数由霍尔系数由霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七
7、章设设设设K KHH即为即为即为即为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在，它表示一个霍尔元件在，它表示一个霍尔元件在，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小大小大小大小.单位是单位是单位是单位是mV/mV/（mATmAT）传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用材料中电子在电场作用下运动速度的大
8、小常用材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁载流子迁载流子迁载流子迁移率移率移率移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即速度值。即速度值。即速度值。即所以所以所以所以而而而而比较得比较得比较得比较得或或或或 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章结论：结论：结论：结论：如果是如果是如果是如果是P P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，其载流子是
9、空穴，若空穴浓度为p p，同理可得，同理可得，同理可得，同理可得 霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UHH与材料的性质有关。与材料的性质有关。与材料的性质有关。与材料的性质有关。霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UHH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章另外通常还要对其形状效应修正另外通常还要对其形状效应修正另外通常还要对其形状效应修正另外通常还要对其形状效应修正 U UHH=R=RH H BIBIf f(L/b)(L/b)/d/d L/bL/b 0.50.5 1.01.0 1.51.5 2.02.0 2.52
10、.5 3.03.0 4.04.0f(L/f(L/b)b)0.30.370700.60.675750.80.841410.90.923230.90.967670.90.984840.90.99696 霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UHH与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1.2 7.1.2 霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路1 1 构构构构 造造造造 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章霍尔片是一块半导体单
11、晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为一般为一般为一般为4mm2mm0.1mm)4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有a a、b b两根引线，通常用两根引线，通常用两根引线，通常用两根引线，通常用红色导线红色导线红色导线红色导线，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为控制电极控制电极控制电极控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧
12、端面的中间以点的形式对称地焊有c c、d d两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用绿色导线绿色导线绿色导线绿色导线，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为霍尔电极霍尔电极霍尔电极霍尔电极。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2 2 测量电路测量电路测量电路测量电路W1W2UHUH（a a a a）基本测量电路）基本测量电路）基本测量电路）基本测量电路WUHRLE（b b b b）直流供电输出方式（）直流供电输出方式（）直流供电输出方式（）直流供电输出方式（c c c c）交流供电输出方式）交流供电输出方式）交流供
13、电输出方式）交流供电输出方式 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1.3 7.1.3 霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数1.1.1.1.额定功耗额定功耗额定功耗额定功耗P P0 0在环境温度在环境温度在环境温度在环境温度25252525时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。的乘积。的乘积。的乘积。2.2.2.2.输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻R R R Ri i i i和输出电阻和输出电阻和输出电阻和输出电阻R R R RO OO OR R R
14、Ri i i i是指控制电流极之间的电阻值。是指控制电流极之间的电阻值。是指控制电流极之间的电阻值。是指控制电流极之间的电阻值。R R R R0 0 0 0指霍尔元件电极间的电阻。指霍尔元件电极间的电阻。指霍尔元件电极间的电阻。指霍尔元件电极间的电阻。R R R Ri i i i 、R R R R0 0 0 0可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章4.4.4.4.霍尔温度系数霍尔温度系数霍尔温度系数霍尔温度系数 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度
15、和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1 1 1 1时，时，时，时，霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。即：即：即：即：3.3.3.3.不平衡电势不平衡电势不平衡电势不平衡电势U UU U0 0 0 0在额定控制电流在额定控制电流在额定控制电流在额定控制电流I I I I下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章5.5.
16、5.5.内阻温度系数内阻温度系数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在无磁场及工作温度范围内，温度每变化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在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1 1 1 1时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：即：即：即：6.6.6.6.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度或：或：或：或：减小减小减小减小d d d d;选好的半导体材料选好的半导体材料选好的半导体材料选好的半导体材料 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章
17、第七章霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1 1 1 1.零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法图图图图7-4 7-4 7-4 7-4 不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势图图图图7-5 7-5 7-5 7-5 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR
18、3R4 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2 2 2 2.温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差及补偿(1)(1)(1)(1)利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿（a a a a）基本电路）基本电路）基本电路）基本电路 （b b b b）等效电路）等效电路）
19、等效电路）等效电路 EIUHRUHtRO(t)RIUHERi(t)传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图由图由图由图7-77-7可知：可知：可知：可知：传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数
20、，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章即即即即 ：由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使 当元件的当元件的当元件的当元件的、及内阻及内阻及内阻及内阻R Ri i0 0确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻R R便可求便可求便可求便可求出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其出。在实际应用中，当霍尔元件选定后
21、，其出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其、值可以值可以值可以值可以从元件参数表中查出，而元件内阻从元件参数表中查出，而元件内阻从元件参数表中查出，而元件内阻从元件参数表中查出，而元件内阻R Ri i0 0则可由测量得到。则可由测量得到。则可由测量得到。则可由测量得到。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章（2 2 2 2）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿 （a a）基本电路）基本电路）基本电路）基本电路 （b b）等效电路）等效电路）等效电路）等效电路 U UHHI II IR RL LU UHtHtR Ri
22、 i(t(t)R RO O(t(t)R RL LI IU UHHI I霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用恒流源恒流源恒流源恒流源，使控制电流稳定不变。，使控制电流稳定不变。，使控制电流稳定不变。，使控制电流稳定不变。即，可以即，可以即，可以即，可以不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回路的温度影响 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 在在在在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：温度影响下，元件输出电阻和电势变为：温度影响下，元件输出电阻和电势变为：温度影响下，元件输出电阻和电势变为：此时，此时，此时，
23、此时，R R R RL L L L上的电压为上的电压为上的电压为上的电压为负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R R R RL L L L上电压随温度变化最小的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为根据根据根据根据 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章当当当当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻多时，输出电阻多时，输出电阻多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只
24、变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在考虑在考虑在考虑在输入端输入端输入端输入端进行补偿即可。进行补偿即可。进行补偿即可。进行补偿即可。若采用若采用若采用若采用恒流源恒流源恒流源恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电，输入电阻随温度变化而引起的控制电，输入电阻随温度变化而引起的控制电，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3 3 3 3）利用恒流源进行补偿）利用恒流源进行
25、补偿）利用恒流源进行补偿）利用恒流源进行补偿 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章对于对于对于对于温度系数大温度系数大温度系数大温度系数大的半导体材料常使用。的半导体材料常使用。的半导体材料常使用。的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回
26、路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而电阻，当温度上升时其阻值下降，从而电阻，当温度上升时其阻值下降，从而电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。使控制电流上升。使控制电流上升。使控制电流上升。（4 4 4 4）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿（a a a a）输入回路补偿）输入回路补偿）输入回路补偿）输入回路补偿R RR Rt t 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章（b b b b）输出回路补偿）输出回路补偿）输出回路补偿）输出回路补偿 或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负
27、载或在输出回路进行补偿。负载R R R RL L L L上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻上升而下降的量被热敏电阻上升而下降的量被热敏电阻上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。阻值减小所补偿。阻值减小所补偿。阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使近，使近，使近，使它们温度变化一致。它们温度变化一致。它们温度变化一致。它们温度变化一致。R RR RL LR Rt t
28、传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章（5 5 5 5）利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿调节电位器调节电位器调节电位器调节电位器WWWW1 1 1 1可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变一热敏电阻。温度变化时，热敏
29、电阻将随温度变化而变一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥化，电桥化，电桥化，电桥的输出电压相应变化，的输出电压相应变化，的输出电压相应变化，的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。w w1 1w w2 2E E1 1w w3 3R R2 2R R3 3R R4 4R R1 1E E2 2R Rt tU UHtHt 传感器原理与应用传感器原理与应用第七
30、章第七章7.2 7.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路和测量电路之间的界限
31、，实现了材料、元件、电路三三三三位一体位一体位一体位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了地提高了地提高了地提高了可靠性可靠性可靠性可靠性。此外，它具有。此外，它具有。此外，它具有。此外，它具有体积小、重量轻、功体积小、重量轻、功体积小、重量轻、功体积小、重量轻、功耗低耗低耗低耗低等优点。等优点。等优点。等优点。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.2.1 7.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关
32、型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、稳压器、霍尔片、稳压器、霍尔片、稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级差分放大器，施密特触发器和输出级差分放大器，施密特触
33、发器和输出级差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。五部分组成。五部分组成。五部分组成。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.2.2 7.2.2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其一起的传感器。其一起的传感器。其一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关输出电压与外加磁场成线性比例关输出电压与外加磁场成线性比例关输出电压与外加磁场成线性比例关
34、系。系。系。系。一般由一般由一般由一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四四四四部分组成，部分组成，部分组成，部分组成，霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。速度、磁场、电流等的测量或控制。速度、磁场、电流等的测量或控制。速度、磁场、电流等的测量或控制。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第
35、七章7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 磁阻效应磁阻效应磁阻效应磁阻效应当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当当当当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B B B B的平方的平方的平方的平方成正比。成正比。成正比。成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论
36、推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：来的磁阻效应方程为：7 7 7 7.3.3.3.3 磁敏电阻器磁敏电阻器磁敏电阻器磁敏电阻器 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章电阻率的相对变化电阻率的相对变化电阻率的相对变化电阻率的相对变化可以看出可以看出可以看出可以看出 ，在磁感应强度，在磁感应强度，在磁感应强度，在磁感应强度一定时，迁移率越高的材一定时，迁移率越高的材一定时，迁移率越高的材一定时，迁移率越高的材料（如料（如料（如料（如InSbInSbInSbInSb、In
37、AsInAsInAsInAs、NiSbNiSbNiSbNiSb等半导体材料）磁阻效应越等半导体材料）磁阻效应越等半导体材料）磁阻效应越等半导体材料）磁阻效应越明显。明显。明显。明显。从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。因磁场的作用而加长所致。因磁场的作用而加长所致。因磁场的作用而加长所致。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 磁敏电阻的结构磁敏电阻的结构磁敏电阻的
38、结构磁敏电阻的结构磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻率的相对变化越大。小，电阻率的相对变化越大。小，电阻率的相对变化越大。小，电阻率的相对变化越大。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章长方形磁阻器件只有在长方形磁阻器件只有在长方形磁阻
39、器件只有在长方形磁阻器件只有在l l b b的长方形磁阻材料上面制的长方形磁阻材料上面制的长方形磁阻材料上面制的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属作许多平行等间距的金属作许多平行等间距的金属作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以条（即短路栅格），以条（即短路栅格），以条（即短路栅格），以短短短短路霍尔电势路霍尔电势路霍尔电势路霍尔电势.图图图图7-13 7-13 7-13 7-13 长方形磁阻器件长方形磁阻器件长方形磁阻器件长方形磁阻器件BIBlIb 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章图图图图7-14 7-14 7-14 7-14 圆盘形磁阻器件圆盘形磁阻器件圆盘形磁阻器
40、件圆盘形磁阻器件(a)(b)(a)(b)B B圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.3.3 7.3.3 磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性磁阻元件的主要特性1.1.灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在
41、一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即电阻变化率来表示，即电阻变化率来表示，即电阻变化率来表示，即磁场磁场磁场磁场 电阻变化率特性曲线的电阻变化率特性曲线的电阻变化率特性曲线的电阻变化率特性曲线的斜率。斜率。斜率。斜率。在运算时常用在运算时常用在运算时常用在运算时常用R RB B/R R0 0求得，求得，求得，求得，R R0 0表示无磁场情况下磁阻表示无磁场情况下磁阻表示无磁场情况下磁阻表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值，元件的电阻值，元件的电阻值，元件的电阻值
42、，R RB B为施加为施加为施加为施加0.3T0.3T磁感应强度时磁阻元件磁感应强度时磁阻元件磁感应强度时磁阻元件磁感应强度时磁阻元件的电阻值。的电阻值。的电阻值。的电阻值。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章(b)(b)电阻变化率特性电阻变化率特性电阻变化率特性电阻变化率特性R RB B/R R0 0151510105 5温度温度温度温度(25(25)弱磁场下呈平方特性变化弱磁场下呈平方特性变化弱磁场下呈平方特性变化弱磁场下呈平方特性变化强强强强场场场场下下下下呈呈呈呈直直直直线线线线特特特特性变化性变化性变化性变化0 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.01
43、.21.21.41.4B B/T/TS S级级级级(a)(a)S S S S、N N N N级之间电阻特性级之间电阻特性级之间电阻特性级之间电阻特性N N级级级级0.30.3 0.20.20.10.1 0 0 0.10.10.20.20.30.3R R/10001000500500B B/T/T图图图图7-15 7-15 7-15 7-15 灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性灵敏度特性 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2.2.电阻电阻电阻电阻 温度特性温度特性温度特性温度特性半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不半导体磁阻元件的温度
44、特性不好。元件的电阻值在不半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，大的温度变化范围内减小的很快。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。一般都要设计温度补偿电路。一般都要设计温度补偿电路。一般都要设计温度补偿电路。温度（温度（温度（温度（）0 02020150150505040408080100100电阻（电阻（电阻（电阻（）1001006060 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章磁敏二极管的磁敏二极管的磁敏二极管的磁敏二极管的P P P
45、P型和型和型和型和N N N N型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成型电极由高阻材料制成，在，在，在，在P P、N N之间有一个较长的之间有一个较长的之间有一个较长的之间有一个较长的本征区本征区本征区本征区I I I I。本征区本征区本征区本征区I I I I的一面磨成光的一面磨成光的一面磨成光的一面磨成光滑的滑的滑的滑的无复合表面无复合表面无复合表面无复合表面（I I区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成区），另一面打毛，设置成高复高复高复高复合区合区合区合区（r r区），因为电子区），因为电子区），因为电子区），因为电子空穴对易于在
46、粗糙表面复空穴对易于在粗糙表面复空穴对易于在粗糙表面复空穴对易于在粗糙表面复合而消失。合而消失。合而消失。合而消失。7.4.1 7.4.1 磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性磁敏二极管的工作原理和主要特性7.4 7.4 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管1.1.磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构磁敏二极管的结构 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章+图图图图7-17 7-17 磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图磁敏二极管结构示意图（a a
47、）结构）结构）结构）结构 （b b）符号）符号）符号）符号P P+N N+I I区区区区r r区区区区 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2.2.磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2.2.磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加正向偏压
48、后，则有大量的空穴从后，则有大量的空穴从后，则有大量的空穴从后，则有大量的空穴从P P P P区通过区通过区通过区通过I I区进入区进入区进入区进入N N区，同时也有区，同时也有区，同时也有区，同时也有大量电子注入大量电子注入大量电子注入大量电子注入P P区，形成电流。只有少量电子和空穴在区，形成电流。只有少量电子和空穴在区，形成电流。只有少量电子和空穴在区，形成电流。只有少量电子和空穴在I I区复合掉区复合掉区复合掉区复合掉。P P+N N+I I区区区区r r面面面面 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空当磁敏二极管受到外界正向磁场作用
49、时，则电子和空当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向穴受到洛仑兹力的作用而向r r区偏转，由于区偏转，由于区偏转，由于区偏转，由于r r区的电子区的电子区的电子区的电子和空穴复合速度比光滑面和空穴复合速度比光滑面和空穴复合速度比光滑面和空穴复合速度比光滑面I I区快，因此，形成的电流因区快，因此，形成的电流因区快，因此，形成的电流因区快，因此，形成的电流因复合速度而减小。复合速度而减小。复合速度而减小。复合速度而减小。P P+N N+I I区区区区r r面面面面HH+传
50、感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向受到洛仑兹力的作用而向受到洛仑兹力的作用而向受到洛仑兹力的作用而向I I区偏移，由于电子和空穴复区偏移，由于电子和空穴复区偏移，由于电子和空穴复区偏移，由于电子和空穴复合率明显变小，因此，电流变大。合率明显变小，因此，电流变大。合率明显变小，因此，电流变大。合率明显变小，因此，电流变大。P P+N N+I I区区区区r r面面面面HH-传感器原理与应