第9章 20145012磁敏傳感器

1、第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 第九章第九章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 在各種傳感器中，磁敏傳感器是使用得較在各種傳感器中，磁敏傳感器是使用得較早的一種，指南針便是最古老的磁敏傳感器。早的一種，指南針便是最古老的磁敏傳感器。電流通過(guò)線圈時(shí)，在線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，若線圈中電流通過(guò)線圈時(shí)，在線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，若線圈中的磁通量發(fā)生變化，則線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這的磁通量發(fā)生變化，則線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這就是磁電感應(yīng)現(xiàn)象。因此線圈是將磁量變成電量就是磁電感應(yīng)現(xiàn)象。因此線圈是將磁量變成電量的最簡(jiǎn)單的磁電轉(zhuǎn)換元件。的最簡(jiǎn)單的磁電轉(zhuǎn)換元件。如果將

2、磁場(chǎng)加到半導(dǎo)體等材料上，材料的電性質(zhì)就如果將磁場(chǎng)加到半導(dǎo)體等材料上，材料的電性質(zhì)就發(fā)生變化，這就是磁電效應(yīng)。凡是利用磁電效應(yīng)發(fā)生變化，這就是磁電效應(yīng)。凡是利用磁電效應(yīng)構(gòu)成的傳感器稱為構(gòu)成的傳感器稱為磁電式傳感器或磁敏傳感器磁電式傳感器或磁敏傳感器。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁敏傳感器磁敏傳感器磁場(chǎng)磁場(chǎng)電能電能測(cè)量原理測(cè)量原理：半導(dǎo)體材料中的自由電子及空穴：半導(dǎo)體材料中的自由電子及空穴 隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向隨磁場(chǎng)改變其運(yùn)動(dòng)方向結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)結(jié)型結(jié)型體型體型磁敏二極管磁敏二極管磁敏三極管磁敏三極管霍爾傳感器霍爾傳感器磁敏電阻磁敏電阻第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 磁敏傳感器的物

3、理基礎(chǔ)磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)1 1、磁現(xiàn)象：磁荷不能單獨(dú)存在，必須、磁現(xiàn)象：磁荷不能單獨(dú)存在，必須N N、S S成對(duì)存成對(duì)存在，并且在閉區(qū)間表面全部磁束進(jìn)出總和必等在，并且在閉區(qū)間表面全部磁束進(jìn)出總和必等于零，即于零，即divB=0divB=02 2、磁通、磁通( (磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度) )變化與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系：變化與電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系：2022-6-2ddBEdtdt 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2霍爾元件霍爾元件第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 一、霍爾效應(yīng)一、霍爾效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在過(guò)時(shí)，在垂直垂直于電流和

4、磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。2022-6-2霍爾元件霍爾元件第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 二、霍爾元件工作原理：二、霍爾元件工作原理： 如圖所示如圖所示N N型半導(dǎo)體薄片，于垂直方向上施加磁型半導(dǎo)體薄片，于垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為感應(yīng)強(qiáng)度為B B的磁場(chǎng)，在薄片左右兩端通以控制電的磁場(chǎng)，在薄片左右兩端通以控制電流流I I。2022-6-2bIdUHfEvflB第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子( (電子電子) )將沿著與電流將沿著與電流I I相反的相反的方向運(yùn)動(dòng)。方向運(yùn)動(dòng)。

5、由于外磁場(chǎng)由于外磁場(chǎng)B B的作用，使電子受到磁場(chǎng)力的作用，使電子受到磁場(chǎng)力f fL L( (洛侖洛侖茲力茲力) )而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子積累帶負(fù)電，而前端面缺少電子帶正電，在前子積累帶負(fù)電，而前端面缺少電子帶正電，在前后斷面間形成后斷面間形成電場(chǎng)電場(chǎng)。 該電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力該電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力f fE E 阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。2022-6-2)(BvefleEfE平衡。時(shí)，電荷積累達(dá)到動(dòng)態(tài)當(dāng)lEff分析：分析：第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 EvB 2022-6-2()lEfe vBfeEHHUEvBUbvBbIne bdHHH

6、IBIBUBbRK IBnedd式中：式中： -電子濃度電子濃度 1HRnen第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 在半導(dǎo)體前后兩端面之間在半導(dǎo)體前后兩端面之間( (即垂直于電流和磁即垂直于電流和磁場(chǎng)方向場(chǎng)方向) )建立電場(chǎng)，稱為建立電場(chǎng)，稱為霍爾電場(chǎng)霍爾電場(chǎng)E EH H，相應(yīng)的，相應(yīng)的電勢(shì)稱為電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)U UH H。2022-6-2R RH H霍爾系數(shù)，取決于載流子材料的物理性質(zhì)，反映了材料的霍爾系數(shù)，取決于載流子材料的物理性質(zhì)，反映了材料的霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。 k kH H靈敏度系數(shù)，與載流材料的靈敏度系數(shù)，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表有關(guān)

7、，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)的大??；示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)的大小； d d 薄片厚度。薄片厚度。 UH KH I BdIBRUHH第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，但不是都可以制造霍爾元件都可以制造霍爾元件; ; 絕緣材料電阻率絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很大，電子遷移率很小，不適用；很小，不適用； 金屬材料電子濃度金屬材料電子濃度n n很高，很高，R RHH很小，很小，U UH H很小很小, ,不適用不適用; ; 半導(dǎo)體材料電阻率半導(dǎo)體材

8、料電阻率較大較大R RH H大，非常適于做霍爾元件，半大，非常適于做霍爾元件，半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用件多采用 N N 型半導(dǎo)體（多電子）型半導(dǎo)體（多電子）; ; 由上式可見(jiàn)，厚度由上式可見(jiàn)，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度K KH H越大，所以越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似霍爾元件做的較薄，通常近似1 1微米微米(d1m)(d1m)。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2注：注：1 1、當(dāng)電流、當(dāng)電流I I的方向或磁場(chǎng)的方向改變時(shí)，輸出電的方向或磁場(chǎng)的方向改變時(shí)，輸出電勢(shì)的方向也將改

9、變；但當(dāng)兩者的方向同時(shí)改變時(shí)勢(shì)的方向也將改變；但當(dāng)兩者的方向同時(shí)改變時(shí)輸出電勢(shì)不改變方向。輸出電勢(shì)不改變方向。2 2、如果磁場(chǎng)和薄片法線有如果磁場(chǎng)和薄片法線有角，那么角，那么 ： VH KH I B cos第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2(a)a)實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)(mm)；(b)(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)外形尺寸外形尺寸:6.4:6.43.13.10.2;0.2;有效尺寸：有效尺寸：5.45.42.72.70.20.2d ds sl l（b b）2.12.15.45.42.72.7A AB B0.20.20.50.50.30.3C CD D（a a）w w電流極電流極霍爾

10、電極霍爾電極R R4 4三、霍爾元件的結(jié)構(gòu)三、霍爾元件的結(jié)構(gòu)第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦靈敏度低、溫度靈敏度低、溫度特性及線性度好特性及線性度好靈敏度最高、靈敏度最高、受溫度影響大受溫度影響大第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2霍爾器件符號(hào)霍爾器件符號(hào)ACDBHABCDABCD霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線?；魻柧w的外形為矩形薄片有四根引線。電流端子電流端子A A、B B稱為器件稱為器件電流端電流端、控制電流端。、控制電流端。端子端子C C、D D稱為稱為霍爾端霍爾端或輸出端?；蜉?/p>

11、出端。實(shí)測(cè)中可把實(shí)測(cè)中可把I I* *B B作輸入，也可把作輸入，也可把I I或或B B單獨(dú)做輸入；單獨(dú)做輸入； 通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出測(cè)量結(jié)果。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2四、主要技術(shù)參數(shù)及特性四、主要技術(shù)參數(shù)及特性（1 1）額定激勵(lì)電流額定激勵(lì)電流 I IH H霍爾元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最霍爾元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最大控制電流。大控制電流。（2 2）不平衡電勢(shì)不平衡電勢(shì)U U0 0不等位電勢(shì)、零位電勢(shì)不等位電勢(shì)、零位電勢(shì) I IH H、B=0B=0、空載霍爾電勢(shì)、空載霍爾電勢(shì)原因：兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上原因：兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上

12、材料不均勻、工藝不良材料不均勻、工藝不良 （3 3）輸入電阻輸入電阻R Ri i 、輸出電阻輸出電阻R R0 0R Ri i 控制電流電極間的電阻控制電流電極間的電阻R R0 0 輸出霍爾電勢(shì)電極間的電阻輸出霍爾電勢(shì)電極間的電阻B = 0B = 0歐姆表歐姆表第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（4 4）基本特性）基本特性 直線性直線性：指霍爾器件的輸出電勢(shì)：指霍爾器件的輸出電勢(shì)U UH H分別和基本參數(shù)分別和基本參數(shù) I I、U U、B B之間呈線性關(guān)系。之間呈線性關(guān)系。靈敏度靈敏度K KH H： 乘積靈敏度：乘積靈敏度： 霍爾元件的輸出電壓要由磁感應(yīng)強(qiáng)度霍爾元件的輸出電壓要由

13、磁感應(yīng)強(qiáng)度B B和控制和控制電流電流I I的的乘積乘積來(lái)確定來(lái)確定, ,表示霍爾電勢(shì)表示霍爾電勢(shì)U UH H與兩者乘積之間與兩者乘積之間的比值，通常以的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。UH KH I B第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2K KB B磁場(chǎng)靈敏度，通常以磁場(chǎng)靈敏度，通常以額定電流額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場(chǎng)靈為標(biāo)準(zhǔn)。磁場(chǎng)靈敏度等于霍爾元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度敏度等于霍爾元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)值。常用于磁場(chǎng)測(cè)量等情況。對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)值。常用于磁場(chǎng)測(cè)量等情況。 K KI I電流靈敏度，電流靈敏度等于霍爾元件在單位電流

14、靈敏度，電流靈敏度等于霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)值。磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)值。若若控制電流值固定控制電流值固定，則：，則：U UH HK KB BB B若若磁場(chǎng)值固定磁場(chǎng)值固定，則：，則：U UH HK KI I I I第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2VHR3VBIEIH霍爾器件的基本電路霍爾器件的基本電路R控制電流控制電流I I；霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)V VH H；控制電壓控制電壓V V；霍爾負(fù)載電阻霍爾負(fù)載電阻R R3 3；霍爾電流霍爾電流I IH H。 圖中控制電流圖中控制電流I I由電源由電源E E供給供給, ,R R為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證

15、保證器件內(nèi)所需控制電流器件內(nèi)所需控制電流I I?；魻栞敵龆私迂?fù)載?；魻栞敵龆私迂?fù)載R R3 3, ,R R3 3可是可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B B垂直通過(guò)霍爾器件。垂直通過(guò)霍爾器件。五、基本電路五、基本電路第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2六、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償六、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償 產(chǎn)生誤差的原因產(chǎn)生誤差的原因： 一是制作工藝、制作水平的限制。一是制作工藝、制作水平的限制。 二是外界溫度的影響。二是外界溫度的影響。（一）零位誤差（一）零位誤差 1 1、不等位電勢(shì)、不等位電勢(shì)U U0 0及其補(bǔ)償及其

16、補(bǔ)償 B=0B=0，I0I0，U UH H=U=U0 000。 U U0 0為不等位電勢(shì)。為不等位電勢(shì)。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上，或激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均面上，或激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。勻分布等。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因： 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻，何尺寸不均勻， 等電位面歪斜。等電位面歪斜。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 20

17、22-6-2不等位電勢(shì)的補(bǔ)償：不等位電勢(shì)的補(bǔ)償： 不等位電勢(shì)可表示為不等位電勢(shì)可表示為U U0 0=r=r0 0I IH H( (r r0 0為不等位電阻為不等位電阻) )分析不等位電勢(shì)時(shí)可把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，分析不等位電勢(shì)時(shí)可把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，不等位電壓相當(dāng)于橋路初始有不平衡輸出不等位電壓相當(dāng)于橋路初始有不平衡輸出U U0 000，可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。可在電阻大的橋臂上并聯(lián)電阻。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（二）（二） 霍爾元件溫度誤差及補(bǔ)償霍爾元件溫度誤差及補(bǔ)償 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的霍爾

18、元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, , 因此它因此它們的許多參數(shù)都具有較大的們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變。當(dāng)溫度變化時(shí)化時(shí), , 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, ,致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。產(chǎn)生溫度誤差。 以下是幾種補(bǔ)償方法：以下是幾種補(bǔ)償方法： 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-21 1、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻思路：思路：由由U UHH=K=KHHIBIB可見(jiàn)恒流源可見(jiàn)恒流源I I供電可使供電可使U UH

19、 H穩(wěn)定，穩(wěn)定，但靈敏度系數(shù)但靈敏度系數(shù)K KH H=R=RHH/d=/d /d=/d 也是溫度的函數(shù)：也是溫度的函數(shù)：T T ，溫度溫度T T變化時(shí)靈敏度變化時(shí)靈敏度KHKH也變化。也變化。多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，多數(shù)霍爾器件是正溫度系數(shù)，T KT KH H ，可通，可通過(guò)減小過(guò)減小I I保持保持KHKH* *I I不變，抵消溫度造成不變，抵消溫度造成K KH H增加的增加的影響。影響。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2不變。的分流作用）并聯(lián)電阻由HPiiHHHURIRTKTIBKU(0;01 1、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻、采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻第第4章章

20、 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 溫度溫度 時(shí)，元件靈敏度系數(shù)為時(shí)，元件靈敏度系數(shù)為 , ,輸入輸入電阻為電阻為 ，溫度為，溫度為t t時(shí)，他們分別時(shí)，他們分別為為 ，0Hk0iR0tHtkitR001()HtHkktt001()itiRRttPHIII因?yàn)橐驗(yàn)镻PHHI RI RPHPiR IIRR因此因此霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)確定并聯(lián)電阻的值：確定并聯(lián)電阻的值：第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2溫度為溫度為t t時(shí)時(shí)001()PPHtPitPiRRIIIRRRRtt0000PHPiR IIRR溫度溫度 時(shí)時(shí)0t為

21、了使霍爾電勢(shì)不隨溫度而變化，必須保證為了使霍爾電勢(shì)不隨溫度而變化，必須保證00HHHtHtkIBk I B第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2將有關(guān)式代入可得將有關(guān)式代入可得0PiRR通常通?；魻栯妱?shì)的溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于霍爾元件內(nèi)霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)阻溫度系數(shù)，因此，因此0PiRR霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（一）（一） 霍爾式位移傳感器霍爾式位移傳感器霍爾元件處于中間位置位移霍爾元件處于中間位置位移x=0 x=0時(shí)，由于時(shí)，由于B=0B=0，所以，所以U UH

22、H=0=0霍爾元件右移霍爾元件右移, x0, x0，合成，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B向上向上,B0,B0， U UH H0 0 霍爾元件左移，霍爾元件左移，x0 x0，合成，合成磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B向下向下,B0,B0，U UH H00。七、霍爾傳感器的應(yīng)用七、霍爾傳感器的應(yīng)用第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2.HHdUIdBRKconstdxddx則Bx0.dBconstdx若HUKxx=?磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性越好磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性越好測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：1 2 mmHHIBURdNNSSIx磁鋼第第4章章

23、磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-22、霍爾壓力傳感器、霍爾壓力傳感器工作原理：工作原理： 把壓力先轉(zhuǎn)換成位移，應(yīng)用霍爾電勢(shì)與位移的關(guān)系把壓力先轉(zhuǎn)換成位移，應(yīng)用霍爾電勢(shì)與位移的關(guān)系測(cè)量壓力。測(cè)量壓力。3、霍爾磁極檢測(cè)器、霍爾磁極檢測(cè)器(圖圖4.43)工作原理：工作原理： 在控制電流一定的情況下，通過(guò)霍爾電壓的極性可在控制電流一定的情況下，通過(guò)霍爾電壓的極性可判斷磁場(chǎng)的方向，即確定磁鐵磁極。判斷磁場(chǎng)的方向，即確定磁鐵磁極?；魻枆毫鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)原理霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-24 4、轉(zhuǎn)速測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)角HV02轉(zhuǎn)角HV0NS霍爾元件永磁體被測(cè)軸永磁體

24、安裝在軸端永磁體安裝在軸端NS被測(cè)軸霍爾元件永磁體永磁體安裝在軸側(cè)永磁體安裝在軸側(cè)第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-25 5、測(cè)量電流、測(cè)量電流測(cè)量大直流電流（測(cè)量大直流電流（10kA10kA），），霍爾元件測(cè)量電流原理：檢測(cè)通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)霍爾元件測(cè)量電流原理：檢測(cè)通電導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)導(dǎo)線旁測(cè)法導(dǎo)線旁測(cè)法HVIBCI簡(jiǎn)單、測(cè)量精度差、簡(jiǎn)單、測(cè)量精度差、受外界干擾大受外界干擾大第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（2 2）導(dǎo)線貫穿磁芯法）導(dǎo)線貫穿磁芯法I霍爾元件通電導(dǎo)線導(dǎo)磁鐵芯環(huán)形鐵芯集中磁力線，環(huán)形鐵芯集中磁力線，提高電流測(cè)量精度提高電流測(cè)量精度第第4章章 磁敏傳

25、感器磁敏傳感器 由霍爾元件裝配鍵體而成的開(kāi)關(guān)電鍵。由霍爾元件裝配鍵體而成的開(kāi)關(guān)電鍵。 工作原理：工作原理： 用磁體作為觸發(fā)媒介，當(dāng)磁體接近霍爾電路時(shí)，用磁體作為觸發(fā)媒介，當(dāng)磁體接近霍爾電路時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)，霍爾按鍵就是依靠改變磁體產(chǎn)生一個(gè)電平信號(hào)，霍爾按鍵就是依靠改變磁體的相對(duì)位置來(lái)觸發(fā)電信號(hào)的。的相對(duì)位置來(lái)觸發(fā)電信號(hào)的。 特點(diǎn)：無(wú)觸點(diǎn)按鍵開(kāi)關(guān)特點(diǎn)：無(wú)觸點(diǎn)按鍵開(kāi)關(guān)2022-6-26 6、霍爾開(kāi)關(guān)按鍵、霍爾開(kāi)關(guān)按鍵第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)集成電路技術(shù)集成電路技術(shù)開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)磁敏傳感器磁敏傳感器 霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器是利用霍爾

26、效應(yīng)與集成電路霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量量( (測(cè)轉(zhuǎn)速、開(kāi)關(guān)控制、判斷測(cè)轉(zhuǎn)速、開(kāi)關(guān)控制、判斷N SN S極性極性) )，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸，并以開(kāi)關(guān)信號(hào)形式輸出，分為常開(kāi)、常閉型兩種。出，分為常開(kāi)、常閉型兩種。 八、霍爾集成傳感器八、霍爾集成傳感器第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 由由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開(kāi)路輸出開(kāi)路輸出五部分組成。五部分組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍

27、內(nèi)工作；開(kāi)路輸出可使傳感器方寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開(kāi)路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。便地與各種邏輯電路接口。 1 1霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2 23 3輸出輸出+ +穩(wěn)壓穩(wěn)壓V VCCCC1 1霍爾元件霍爾元件放大放大BTBT整形整形地地H H第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的原理及工作過(guò)程：霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的原理及工作過(guò)程： 當(dāng)有磁場(chǎng)作用在傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾當(dāng)有磁場(chǎng)作用在傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電壓元件

28、輸出霍爾電壓V VH H，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。整形電路。 當(dāng)放大后的當(dāng)放大后的V VH H電壓大于電壓大于“開(kāi)啟開(kāi)啟”閾值閾值時(shí)，時(shí)，施密特整形電路施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導(dǎo)體管使半導(dǎo)體管V V導(dǎo)通，且具有吸收電流的導(dǎo)通，且具有吸收電流的負(fù)載能力，這種狀態(tài)我們稱它為負(fù)載能力，這種狀態(tài)我們稱它為開(kāi)狀態(tài)開(kāi)狀態(tài)。 當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，霍爾元件輸出的當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，霍爾元件輸出的V VH H電壓很小，經(jīng)放大器放電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值也大后其值也小于施密特整形電路的小于施密特整形電路的“關(guān)閉關(guān)閉”閾值閾值，施密特整，施密

29、特整形器形器再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導(dǎo)體管，使半導(dǎo)體管V V截止，這種狀態(tài)截止，這種狀態(tài)我們稱它為我們稱它為關(guān)狀態(tài)關(guān)狀態(tài)。 這樣，一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成了一次開(kāi)這樣，一次磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，就使傳感器完成了一次開(kāi)關(guān)動(dòng)作。關(guān)動(dòng)作。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b）應(yīng)用電路）應(yīng)用電路 （a）外型）外型 霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路123第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-22 2、工作特性、工作特性）（TB）（VVOUTON2OFFOPBRPBH

30、B 工作點(diǎn)工作點(diǎn)“開(kāi)開(kāi)”O(jiān)PB 釋放點(diǎn)釋放點(diǎn)“關(guān)關(guān)”RPB 磁滯磁滯HB高高低，開(kāi)狀態(tài)低，開(kāi)狀態(tài)OPBBRPBB低低高，關(guān)狀態(tài)高，關(guān)狀態(tài)第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2注：注：該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于B BOPOP時(shí)，輸出電平由高時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于B BRPRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的技術(shù)參

31、數(shù)： 工作電壓工作電壓 、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁阻元件磁阻元件 一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，一種電阻隨磁場(chǎng)變化而變化的磁敏元件，也稱也稱MRMR元件。它的理論基礎(chǔ)為元件。它的理論基礎(chǔ)為磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)。（一）磁阻效應(yīng)（一）磁阻效應(yīng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中,除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外,導(dǎo)體中載流導(dǎo)體中載流子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn)子因受洛侖茲力作用要發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子運(yùn)動(dòng)

32、方向的偏轉(zhuǎn)使電載流子運(yùn)動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)使電流路徑變化流路徑變化,起到了起到了加大電阻加大電阻的作用的作用,磁場(chǎng)越強(qiáng)增大電阻的作用磁場(chǎng)越強(qiáng)增大電阻的作用越強(qiáng)。外加磁場(chǎng)使導(dǎo)體越強(qiáng)。外加磁場(chǎng)使導(dǎo)體(半導(dǎo)體半導(dǎo)體)電阻隨磁場(chǎng)增加而增大的現(xiàn)象電阻隨磁場(chǎng)增加而增大的現(xiàn)象稱稱磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2220(10.273)BB磁阻效應(yīng)方程：溫度恒定、弱磁場(chǎng)、只有電子導(dǎo)電磁阻效應(yīng)方程：溫度恒定、弱磁場(chǎng)、只有電子導(dǎo)電B 磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B時(shí)的電阻率時(shí)的電阻率0 零磁場(chǎng)下的電阻率零磁場(chǎng)下的電阻率 電子遷移率電子遷移率 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B式中，式中，0B電阻率

33、變化電阻率變化22200.273()BkB電阻率相對(duì)變化電阻率相對(duì)變化磁敏電阻：磁敏電阻：InSbInSb、InAsInAs第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁敏電阻的應(yīng)用磁敏電阻的應(yīng)用 磁敏電阻可以用來(lái)作為電流傳感器、磁敏接近磁敏電阻可以用來(lái)作為電流傳感器、磁敏接近開(kāi)關(guān)、角速度開(kāi)關(guān)、角速度/ /角位移傳感器、磁場(chǎng)傳感器等?？山俏灰苽鞲衅鳌⒋艌?chǎng)傳感器等?？捎糜陂_(kāi)關(guān)電源、用于開(kāi)關(guān)電源、UPSUPS、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、變頻器、伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器

34、儀表、工家庭網(wǎng)絡(luò)智能化管理、電度表、電子儀器儀表、工業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、業(yè)自動(dòng)化、智能機(jī)器人、電梯、智能住宅、機(jī)床、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、工業(yè)設(shè)備、斷路器、防爆電機(jī)保護(hù)器、家用電器、電子產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄電子產(chǎn)品、電力自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)床、遠(yuǎn)程抄表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。表、儀器、自動(dòng)測(cè)量、地磁場(chǎng)的測(cè)量、探礦等。 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁敏二極管磁敏二極管 1 1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理磁敏二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 （1 1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu)）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電

35、路符號(hào)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)(a)(a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu); (b); (b)電路符號(hào)電路符號(hào)+ +（b b）H H+ +H H- -N N+ +區(qū)區(qū)p p+ +區(qū)區(qū)i i區(qū)區(qū)r r區(qū)區(qū)電流電流（a a）第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2特點(diǎn)：磁敏二極管的特點(diǎn)：磁敏二極管的PNPN結(jié)有很長(zhǎng)的基區(qū)結(jié)有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。阻材料構(gòu)成的。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：在本征半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜在本征半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的的P P型和型和N N型型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（兩個(gè)區(qū)域，并在本征

36、區(qū)（i i）區(qū)的一個(gè)）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置側(cè)面上，設(shè)置粗糙的高復(fù)合區(qū)粗糙的高復(fù)合區(qū)(r(r區(qū)區(qū)) )，而與，而與r r區(qū)相區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持為對(duì)的另一側(cè)面，保持為光滑無(wú)復(fù)合表面光滑無(wú)復(fù)合表面。這就構(gòu)。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯。成了磁敏二極管的管芯。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（2 2）磁敏二極管的工作原理）磁敏二極管的工作原理 當(dāng)磁敏二極管的當(dāng)磁敏二極管的P P區(qū)接電源正極，區(qū)接電源正極，N N區(qū)接電源負(fù)區(qū)接電源負(fù)極即外加極即外加正偏壓正偏壓時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變時(shí)，隨著磁敏二極管所受磁場(chǎng)的變化，流過(guò)二極管的電流也在變化，也就是說(shuō)化，流過(guò)二極管的電流也在變化

37、，也就是說(shuō)二極管二極管等效電阻隨著磁場(chǎng)的不同而不同。等效電阻隨著磁場(chǎng)的不同而不同。 為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢為什么磁敏二極管會(huì)有這種特性呢? ?下面作一下面作一下分析。下分析。 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2P PN NP PN NP PN NH H=0=0H H+ +H H- -電流電流電流電流電流電流 (a) (a) (b) (b) (c) (c)i ii ii i電子電子孔穴孔穴復(fù)合區(qū)復(fù)合區(qū)磁敏二極管的工作原理示意圖磁敏二極管的工作原理示意圖磁場(chǎng)磁場(chǎng)H=0H=0： 少量電子和空穴在少量電子和空穴在I I區(qū)、區(qū)、r r區(qū)區(qū)復(fù)合，大部分復(fù)合，大部分P P區(qū)空穴區(qū)空穴

38、N N區(qū)區(qū)電子形成電流。電子形成電流。正向磁場(chǎng)正向磁場(chǎng)H H+ +： 電子和空穴由于洛侖茲電子和空穴由于洛侖茲力作用偏向力作用偏向r r區(qū)，并在區(qū)，并在r r區(qū)很區(qū)很快復(fù)合，快復(fù)合，I I區(qū)載流子減小，區(qū)載流子減小，電電阻增大，阻增大，電流減小，壓降增電流減小，壓降增加。加。反向磁場(chǎng)反向磁場(chǎng)H- H- ： 電子和空穴偏向電子和空穴偏向r r區(qū)對(duì)面，區(qū)對(duì)面，復(fù)合減少，復(fù)合減少，I I區(qū)載流子增加，區(qū)載流子增加，電阻減小，電流增加，壓降電阻減小，電流增加，壓降減小。減小。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2結(jié)論結(jié)論( (磁敏二極管工作原理磁敏二極管工作原理) )：隨著磁場(chǎng)大小和方隨著

39、磁場(chǎng)大小和方向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化向的變化，可產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓的變化，特別是，特別是在較弱的磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓。若在較弱的磁場(chǎng)作用下，可獲得較大輸出電壓。若r r區(qū)和區(qū)和r r區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極區(qū)之外的復(fù)合能力之差越大，那么磁敏二極管的靈敏度就越高。管的靈敏度就越高。 磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在磁敏二極管反向偏置時(shí)，則在r r區(qū)僅流過(guò)很微區(qū)僅流過(guò)很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而二極管兩小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022

40、-6-2 2 2磁敏二極管的主要特性磁敏二極管的主要特性 （1 1）伏安特性伏安特性 。213579U/VI/mA00 . 2T0.15T0.1T0.05T-0.05T-0.1T-0.15T-0.2T0磁敏二極管伏安特性曲線磁敏二極管伏安特性曲線（a a）鍺鍺磁敏二極管磁敏二極管 在給定磁場(chǎng)在給定磁場(chǎng)情況下，磁敏二情況下，磁敏二極管兩端極管兩端正向偏正向偏壓壓和通過(guò)它的和通過(guò)它的電電流流的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁敏二極管伏安特性曲線磁敏二極管伏安特性曲線（b b）硅二極管）硅二極管531I/mA46810U/V -0.3 -0.2 -0.1 0

41、 0.1 0.2 0.30.40 硅磁敏二極管硅磁敏二極管的伏安特性有兩種形式：的伏安特性有兩種形式：u 一種如圖（一種如圖（b b）所示，）所示，開(kāi)始在較大偏壓范圍內(nèi)，開(kāi)始在較大偏壓范圍內(nèi)，電流變化比較平坦，隨電流變化比較平坦，隨外加偏壓的增加，電流外加偏壓的增加，電流逐漸增加；此后，伏安逐漸增加；此后，伏安特性曲線上升很快，表特性曲線上升很快，表現(xiàn)出其現(xiàn)出其動(dòng)態(tài)電阻比較小動(dòng)態(tài)電阻比較小。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁敏二極管伏安特性曲線磁敏二極管伏安特性曲線（c c）硅二極管）硅二極管-0.2531I/mA481216U/V-0.1 00.10.40.30.2-0.3

42、0u 另一種如圖另一種如圖(c)(c)所示。硅磁所示。硅磁敏二極管的伏安特性曲線上有敏二極管的伏安特性曲線上有負(fù)阻現(xiàn)象負(fù)阻現(xiàn)象，即電流急增的同時(shí)，即電流急增的同時(shí)，有有偏壓突然跌落偏壓突然跌落的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。u 產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因產(chǎn)生負(fù)阻現(xiàn)象的原因是高阻是高阻硅的熱平衡載流子較少，且注硅的熱平衡載流子較少，且注入的載流子未填滿復(fù)合中心之入的載流子未填滿復(fù)合中心之前，不會(huì)產(chǎn)生較大的電流，當(dāng)前，不會(huì)產(chǎn)生較大的電流，當(dāng)填滿復(fù)合中心之后，電流才開(kāi)填滿復(fù)合中心之后，電流才開(kāi)始急增。始急增。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（2 2）磁電特性）磁電特性 u 在給定條件下，磁敏二極管的在給定

43、條件下，磁敏二極管的輸出電壓變化量與輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)間外加磁場(chǎng)間的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特的變化關(guān)系，叫做磁敏二極管的磁電特性。性。 u 具有正反磁靈敏度，這是磁阻元件欠缺的。但正具有正反磁靈敏度，這是磁阻元件欠缺的。但正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度，需互補(bǔ)使用。向磁靈敏度大于反向磁靈敏度，需互補(bǔ)使用。 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 磁敏二極管的磁電特性曲線磁敏二極管的磁電特性曲線（a a）單個(gè)使用時(shí)）單個(gè)使用時(shí)B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0U/V 磁敏二極管單個(gè)使

44、用時(shí)的磁電特性曲線磁敏二極管單個(gè)使用時(shí)的磁電特性曲線：特點(diǎn)：特點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)使用時(shí)，正向磁靈敏單個(gè)使用時(shí)，正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度；度大于反向磁靈敏度；第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 磁敏二極管的磁電特性曲線磁敏二極管的磁電特性曲線（b b）互補(bǔ)使用時(shí)）互補(bǔ)使用時(shí)B / 0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0U/V 磁敏二極管互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線磁敏二極管互補(bǔ)使用時(shí)的磁電特性曲線：特點(diǎn)：特點(diǎn)：互補(bǔ)使用互補(bǔ)使用時(shí)，正向特性時(shí)，正向特性曲線與反向特性曲線基曲線與反向特性曲線基本對(duì)稱。磁場(chǎng)強(qiáng)度增加本對(duì)稱。磁場(chǎng)強(qiáng)

45、度增加時(shí)，曲線有飽和趨勢(shì)；時(shí)，曲線有飽和趨勢(shì)；但在但在弱磁場(chǎng)下，曲線有弱磁場(chǎng)下，曲線有較好的線性較好的線性。 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（3 3）溫度特性）溫度特性 溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出溫度特性是指在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓電壓變化量變化量 （或無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)中點(diǎn)電壓（或無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)中點(diǎn)電壓 ）隨）隨溫度溫度變化的規(guī)律，如下圖所示：變化的規(guī)律，如下圖所示： muu第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2U/VT/020400.20.40.60.81.0E=6VB = 0.1T8060-20I/mA-5-4-3-2-1I磁敏二極管溫度特性曲線磁敏二極

46、管溫度特性曲線( (單個(gè)使用時(shí)單個(gè)使用時(shí)) )U由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，磁敏二極管受溫度的影響較大磁敏二極管受溫度的影響較大。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-200100%BuuuSu（4 4）磁靈敏度）磁靈敏度 磁敏二極管的磁敏二極管的三種三種磁靈敏度：磁靈敏度： (a)(a)電壓相對(duì)磁靈敏度（電壓相對(duì)磁靈敏度（Su）: : 在恒流條件下，偏壓隨磁場(chǎng)的變化在恒流條件下，偏壓隨磁場(chǎng)的變化, ,即：即：u0磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，二極管兩端的電壓；磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，二極管兩端的電壓； uB磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度為B B時(shí)，二極管兩端的電壓。時(shí)，二極管兩端的電壓。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 (

47、b)(b)電流相對(duì)磁靈敏度（電流相對(duì)磁靈敏度（Si）: : 在恒壓條件下，偏流隨磁場(chǎng)的變化在恒壓條件下，偏流隨磁場(chǎng)的變化, ,即：即：2022-6-200100%BiIISII0磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，通過(guò)二極管的電流；磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，通過(guò)二極管的電流； IB磁場(chǎng)強(qiáng)度為磁場(chǎng)強(qiáng)度為B B時(shí)，通過(guò)二極管的電流。時(shí)，通過(guò)二極管的電流。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2(c)(c) 按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，在給定電壓源按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，在給定電壓源E E和負(fù)載電阻和負(fù)載電阻R R的條件下，電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁的條件下，電壓相對(duì)磁靈敏度和電流相對(duì)磁靈敏度定義如下：靈敏度定義如下： 00100%BRuu

48、uSu00100%BRIIISI特別注意特別注意: :如果使用磁敏二極管時(shí)的情況和元件出如果使用磁敏二極管時(shí)的情況和元件出廠的測(cè)試條件不一致時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試其靈敏度。廠的測(cè)試條件不一致時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試其靈敏度。 第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 (5)(5) 磁敏二極管的溫度補(bǔ)償技術(shù)：磁敏二極管的溫度補(bǔ)償技術(shù)： 由于磁敏二極管受溫度的影響較大由于磁敏二極管受溫度的影響較大，在實(shí)際應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)帶來(lái)很大的誤差，為了提高測(cè)試精度，必用中會(huì)帶來(lái)很大的誤差，為了提高測(cè)試精度，必須進(jìn)行補(bǔ)償處理，補(bǔ)償電路有：須進(jìn)行補(bǔ)償處理，補(bǔ)償電路有： 互補(bǔ)式、半橋式、全橋式、熱敏電阻互補(bǔ)式、半橋式、全橋式、熱敏電阻式式

49、2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2磁敏三極管磁敏三極管 1 1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理磁敏三極管的結(jié)構(gòu)與原理（1 1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu)）磁敏三極管的結(jié)構(gòu) NPNNPN型磁敏三極管是在弱型磁敏三極管是在弱P P型近本征半導(dǎo)體上，用型近本征半導(dǎo)體上，用合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)極合金法或擴(kuò)散法形成三個(gè)極即發(fā)射極、基極、即發(fā)射極、基極、集電極所形成的半導(dǎo)體元件。集電極所形成的半導(dǎo)體元件。 在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的在長(zhǎng)基區(qū)的側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高的高復(fù)合高復(fù)合區(qū)區(qū)r r。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。長(zhǎng)基區(qū)分為輸運(yùn)基區(qū)和復(fù)合基區(qū)兩部分。第第4章章 磁敏傳感

50、器磁敏傳感器 2022-6-2圖圖2.6-33 NPN2.6-33 NPN型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)型磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)a)a)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) b)b)符號(hào)符號(hào)rN+N+ceH-H+P+bceba）b）i第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 當(dāng)不受磁場(chǎng)作用時(shí)，當(dāng)不受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于磁敏三極管的由于磁敏三極管的基區(qū)寬基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，度，因而注入的載流子除因而注入的載流子除少部分輸入到集電極少部分輸入到集電極c c外，外，大部分通過(guò)大部分通過(guò)e ei ib b而形而形成基極電流。顯而易見(jiàn)，成基極電流。顯而易見(jiàn)，基極電流大于集電極電流?；鶚O電流大于集電

51、極電流。所以，電流放大系數(shù)所以，電流放大系數(shù) = =I Ic cI Ib b1 1。PNNrbcexy復(fù)合基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸輸運(yùn)運(yùn)基基區(qū)區(qū)I（2 2）磁敏三極管的工作原理）磁敏三極管的工作原理第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 當(dāng)受到當(dāng)受到H H磁場(chǎng)作用時(shí)，磁場(chǎng)作用時(shí)，由于洛侖茲力作用，載流子由于洛侖茲力作用，載流子向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使向發(fā)射結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，從而使集電極電流明顯下降。集電極電流明顯下降。 當(dāng)受當(dāng)受H H- -磁場(chǎng)使用時(shí)，載磁場(chǎng)使用時(shí)，載流子在洛侖茲力作用下，向流子在洛侖茲力作用下，向集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極集電結(jié)一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。電流增大。 PNNrbce

52、xy復(fù)合基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸輸運(yùn)運(yùn)基基區(qū)區(qū)HPNNrbcexy復(fù)合基區(qū)復(fù)合基區(qū)輸輸運(yùn)運(yùn)基基區(qū)區(qū)H第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 總結(jié)：總結(jié)： 磁敏三極管與磁敏二極管的工作原理完全相磁敏三極管與磁敏二極管的工作原理完全相同，在正向或負(fù)向磁場(chǎng)作用下，會(huì)引起集電極電同，在正向或負(fù)向磁場(chǎng)作用下，會(huì)引起集電極電流的減少或增加。因此，可用流的減少或增加。因此，可用磁場(chǎng)方向控制集電磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減少，用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極極電流的增加或減少，用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流的變化量。電流的變化量。2022-6-2第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-22 2磁敏三極管的主要特性磁敏三極管的主

53、要特性 （1 1）伏安特性）伏安特性 /b=5mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAIb=0mAIC1.00.80.60.40.20246810VCE/V/mAVC E/VIb=3mA B- -=0.1TIb=3mA B=0Ib=3mA B+=0.1T2468101.00.80.60.40.20IC/mA圖圖2.6-35 磁敏三極管伏安特性曲線磁敏三極管伏安特性曲線磁敏三極管在基極恒流條件下磁敏三極管在基極恒流條件下( (I Ib b=3mA)=3mA)的集電極電流的變化；的集電極電流的變化；磁敏三極管磁敏三極管不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁不受磁場(chǎng)作用時(shí)磁敏三極管的伏安特性曲線。敏三極管的伏

54、安特性曲線。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（2 2）磁電特性）磁電特性 磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。磁電特性是磁敏三極管最重要的工作特性。3BCM(NPN3BCM(NPN型型) )鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖所示鍺磁敏三極管的磁電特性曲線如圖所示: :B B/0.1/0.1T TI Ic/mAc/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.11 15 52 23 34 4-1-1-2-2-3-3圖圖2.6-36 3BCM2.6-36 3BCM磁敏三極管電磁特性磁敏三極管電磁特性由圖可見(jiàn)，由圖可見(jiàn)，在在弱磁場(chǎng)弱磁場(chǎng)作作用時(shí)，曲線用時(shí)，曲線近似于一

55、條近似于一條直線直線。第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2（3 3）磁靈敏度磁靈敏度 磁敏三極管的磁靈敏度有正向磁敏三極管的磁靈敏度有正向靈敏度靈敏度 和負(fù)向靈敏度和負(fù)向靈敏度 兩種。其定義如下：兩種。其定義如下： 受正向磁場(chǎng)受正向磁場(chǎng)B B+ +作用時(shí)的集電極電流；作用時(shí)的集電極電流； 受反向磁場(chǎng)受反向磁場(chǎng)B B- -作用時(shí)的集電極電流；作用時(shí)的集電極電流； 不受磁場(chǎng)作用時(shí)，在給定基流情況下不受磁場(chǎng)作用時(shí)，在給定基流情況下的集電極輸出電流。的集電極輸出電流。hhTIIIhcccB1 . 0/%10000cBIcBI0cI(2.6-32)第第4章章 磁敏傳感器磁敏傳感器 2022-6-2 (4) (4)溫度特性溫度特性 磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的。磁敏三極管對(duì)溫度也是敏感的。 圖圖2.6-37 3BCM2.6-37 3BCM磁敏三極管的溫度特性磁敏三極管的溫度特性(a)(a)基極電源恒壓基極電源恒壓 (b)(b)基極恒流基極恒流 (a) (a)-20-200 0202040401 .1 .2 20 .0 .8 80.40.4 1 .1 .6 660