传感器原理及应用技术电子教案磁敏传感器市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1 磁敏传感器物理基础磁敏传感器物理基础霍尔、磁阻、形状效应霍尔、磁阻、形状效应4.2 霍尔元件霍尔元件4.3 磁磁 阻阻 元元 件件4.4 磁敏二极管磁敏二极管4.5 磁敏三极管磁敏三极管4.6 磁敏传感器应用磁敏传感器应用思索题与习题思索题与习题 第1页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1 磁敏传感器物理基础磁敏传感器物理基础霍尔、磁阻、霍尔、磁阻、形状效应形状效应4.1.1基础知识在了解和学习磁敏传感器之前,先让我们回顾以下磁现象及其相关公式。磁现象和电现象不一样,它特点之一是磁荷（MagneticCharge）不能单独存在,必须是N、S成对存在（而电荷则不然,正电荷和负电荷能够单独存在）,而且在闭区间表面全部磁束（磁力线）进出总和必等于零,即div B=0。第2页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器磁感应强度、电场强度、力三者关系可由公式表示为该式表示运动电荷e从电场E受到力和磁场（磁感应强度B）存在时电流ev(v为电荷速度)所受到力,其中第二项称为洛伦兹力。与这个洛伦兹力相抗衡而产生相反方向电动势就是后面我们将要介绍霍尔电压。第3页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器电感L、电流I与它们产生磁束之间关系可表示为=LI当磁束有改变时,在与其相交电路中将产生电动势为第4页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1.2霍尔效应有一如图4.1所表示半导体薄片,若在它两端通以控制电流I,在薄片垂直方向上施加磁感应强度为B磁场,则在薄片另两侧面会产生与I和B乘积成百分比电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。第5页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.1霍尔效应原理图第6页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1.3磁阻效应将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而改变。这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生一个物理效应。当温度恒定时,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B平方成正比。对于只有电子参加导电最简单情况,理论推出磁阻效应表示式为B=0(1+0.273 2B2)式中：B磁感应强度；电子迁移率；0零磁场下电阻率；B磁感应强度为B时电阻率。第7页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器设电阻率改变为=B-0,则电阻率相对改变为由上式可见,磁场一定,迁移率高材料磁阻效应显著。InSb和InAs等半导体载流子迁移率都很高,很适合制作各种磁敏电阻元件。第8页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1.4形状效应磁阻大小除了与材料相关外,还和磁敏元件几何形状相关。在考虑到形状影响时,电阻率相对改变与磁感应强度和迁移率关系能够近似用下式表示：式中：f(lb)为形状效应系数；l为磁敏元件长度；b为磁敏元件宽度。这种因为磁敏元件几何尺寸改变而引发磁阻大小改变现象,叫形状效应。第9页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2 霍尔元件霍尔元件4.2.1霍尔元件工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作。霍尔效应产生是因为运动电荷受磁场中洛伦兹力作用结果。第10页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器如图4.1所表示,假设在N型半导体薄片上通以电流I,那么,半导体中载流子（电子）将沿着和电流相反方向运动。若在垂直于半导体薄片平面方向上加以磁场B,则因为洛伦兹力fL(fL=evB。e：电子电量；v：电子速度；B：磁感应强度)作用,电子向一边偏转（图中虚线方向）,并使该边形成电子积累,而另一边则积累正电荷,于是产生电场。该电场阻止运动电子继续偏转,当电场作用在运动电子上力fE(fE=eUHl)与洛伦兹力fL相等时,电子积累便到达动态平衡。第11页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器这时,在薄片两横端面之间建立电场称为霍尔电场EH,对应电势就称为霍尔电势UH,其大小可用下式表示：(4.1)式中：RH霍尔常数（米3库仑,即m3C）；I控制电流（安培,即A）；B磁感应强度（特斯拉,即T）；d霍尔元件厚度（米,即m）。令(伏米2(安韦伯),即Vm2(AWb)(4.2)KH称为霍尔元件灵敏度。于是 UH=KHIB (4.3)第12页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器由上式可知,霍尔电势大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小一个主要参数,普通要求它越大越好。KH与元件材料性质和几何尺寸相关。因为半导体（尤其是N型半导体）霍尔常数RH要比金属大得多,所以在实际应用中,普通都采取N型半导体材料做霍尔元件。元件厚度d对灵敏度影响也很大,元件越薄,灵敏度就越高。由式（4.3）可见,当控制电流方向或磁场方向改变时,输出电势方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势极性不变。第13页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器需要指出是,在上述公式中,施加在霍尔元件上磁感应强度为B磁场是垂直于薄片,即磁感应强度B方向和霍尔元件平面法线是一致。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时,作用在元件上有效磁场是其法线方向分量（即Bcos）,这时,UH=KHIBcos。4.2.2霍尔元件结构霍尔元件结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,普通采取N型锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成,见图4.2。在长边两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1,1）,在元件短边中间以点形式焊有两根霍尔电压输出端引线（见图中2,2）。焊接处要求接触电阻小,且呈纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片普通用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。第14页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.2霍尔元件示意图第15页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2.3基本电路通常,在电路中,霍尔元件可用如图4.3所表示几个符号表示。标注时,国产器件惯用H代表霍尔元件,后面字母代表元件材料,数字代表产品序号。如HZ-1元件,说明是用锗材料制成霍尔元件；HT-1元件,说明是用锑化铟材料制成元件。惯用霍尔元件及其参数见本节后面表4.1。图4.4示出了霍尔元件基本电路。控制电流由电源E供给；R为调整电阻,用于调整控制电流大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf能够是普通电阻,也能够是放大器输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流作用下,负载上就有电压输出。在实际使用时,I、B或二者同时作为信号输入,而输出信号则正比于I或B,或正比于二者乘积。第16页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.3霍尔元件符号第17页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.4霍尔元件基本电路第18页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器建立霍尔效应所需时间很短（约10-1210-14s）,所以控制电流用交流时,频率能够很高（几千兆赫）。在实际应用中,霍尔元件能够在恒压或恒流条件下工作,其特征不一样。终究应用采取哪种方式，要依据用途来选择。1.恒压工作如图4.5所表示,恒压工作比恒流工作性能要差些,只适合用于对精度要求不太高地方。第19页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器当 使 用 SHS210霍 尔 元 件 时,工 作 在 1V、1kGs(1Gs=10-4T)时,输出电压为2155mV,偏移电压为7%（最大）（1.473.85mV）。无磁场时偏移电压不变,在弱磁场下工作不利。偏移电压能够调整为零,但与运算放大器一样,并不能去除其漂移成份。在恒压条件下性能不好主要原因为霍尔元件输入电阻随温度改变和磁阻效应影响。输入电阻温度系数因霍尔元件材料型号而异,GaAs型为0.3%(最大),InSb型为-2%（最大）。第20页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.5恒压工作霍尔传感器电路第21页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器恒压工作控制电流为Rsr为霍尔元件输入电阻。对GaAs霍尔元件而言,温度上升则电阻值变大（+0.3%）,控制电流减小。若电阻改变使控制电流改变-0.3%(最大),加上若恒流工作时恒流源本身改变-0.06%,其温度特征就显得很不好。对于InSb霍尔元件而言,若恒压工作时恒压源本身温度系数为-2%（最大）,与电阻改变+2%相互抵消,则元件温度系数反而变小。第22页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.恒流工作为了充分发浪费尔传感器性能,最好使用恒流源供电,即恒流工作,电路如图4.6所表示。在恒流工作下,没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应影响。恒流工作时偏移电压稳定性比恒压工作时差些。尤其是InSb霍尔元件,因为输入电阻温度系数大,偏移电压影响更为显著。对电路图中THS103AGaAs霍尔元件,在5mA工作电流、1kGs下,输出电压50120mA，此时偏移电压为10%（512mV）。第23页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.6恒流工作霍尔传感器电路第24页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器3.差分放大霍尔元件输出电压普通为数毫伏到数百毫伏,需要用放大电路放大其输出电压。图4.7所表示为放大电路一个例子。霍尔元件是四端器件,为了去除同相电压,需要使用差分放大器。在图4.7（a）中,使用一个运算放大器时,霍尔元件输出电阻大于运算放大器输入电阻,这么就会产生误差。图4.7(b)中使用三个运算放大器,则没有这个问题。第25页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.7霍尔传感器测量电路第26页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.7霍尔传感器测量电路第27页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器在图4.7中,霍尔传感器输出电压既能够是交流也能够是直流。若只是交流,则可使用图4.8所表示电路形式。在这种电路中,直流成份被电容隔离。对于图4.8(a)所表示电路,R2值很大,应选取漏电流小电容。因为C2漏电流大,而C1几乎没有电流,其差表现为偏移电压。在图4.8(b)所表示电路中,C1和C2漏电流相等,漏电流影响被减轻。在图4.8(c)所表示电路中,电容上几乎没有直流电压成份,故漏电流为最小,且放大器输入电阻值很大。第28页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.8霍尔传感器输出为交流时放大电路第29页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.8霍尔传感器输出为交流时放大电路第30页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.8霍尔传感器输出为交流时放大电路第31页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2.4电磁特征霍尔元件电磁特征包含控制电流（直流或交流）与输出之间关系,霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间关系等。1.H-I特征固定磁场B,在一定温度下,霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系（见图4.9）。直线斜率称为控制电流灵敏度,用KI表示。按照定义,控制电流灵敏度KI为（4.4）由UH=KHIB,可得到KI=KHB (4.5)第32页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器由上式可知,霍尔元件灵敏度KH越大,控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大元件,其霍尔输出并不一定大。这是因为霍尔电势在B固定时,不但与KH相关,还与控制电流相关。所以,即使灵敏度不大元件,假如在较大控制电流下工作,那么一样能够得到较大霍尔输出。2.UH-B特征固定控制电流,元件开路霍尔输出随磁场增加并不完全呈线性关系,而有所偏离。通常,霍尔元件工作在0.5Wbm2以下时线性度很好,如图4.10所表示。使用中,若对线性度要求很高时,可采取HZ-4,它线性偏离普通小于0.2%。第33页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.9霍尔元件UH-I特征曲线第34页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.10霍尔元件UH-B特征曲线第35页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2.5误差分析及误差赔偿1.不等位电势及其赔偿不等位电势是一个主要零位误差。因为在制作霍尔元件时,不可能确保将霍尔电极焊在同一等位面上,如图4.11所表示,所以,当控制电流I流过元件时,即使磁场强度B等于零,在霍尔电极上仍有电势存在,该电势就称为不等位电势。在分析不等位电势时,我们把霍尔元件等效为一个电桥,如图4.12所表示。电桥臂四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4,电桥平衡,这时,输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时,如图4.11所表示,因r3增大,r4减小,则电桥失去平衡,所以,输出电压Uo就不等于零。恢复电桥平衡方法是减小r2、r3。在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面方向,就应采取机械修磨或用化学腐蚀元件方法来减小不等位电势。第36页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.11不等位电势示意图第37页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.12霍尔元件等效电路第38页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器对已制成霍尔元件,能够采取外接赔偿线路进行赔偿。惯用几个赔偿线路如图4.13所表示。第39页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.13不等位电势几个赔偿线路第40页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.温度误差及其赔偿因为半导体材料电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度改变而发生改变,所以,霍尔元件性能参数（如内阻、霍尔电势等）对温度改变也是很灵敏。为了减小霍尔元件温度误差,除选取温度系数小元件（如砷化铟）或采取恒温办法外,用恒流源供电往往能够得到显著效果。恒流源供电作用是减小元件内阻随温度改变而引发控制电流改变。但采取恒流源供电还不能完全处理霍尔电势稳定性问题,还必须结合其它赔偿线路。第41页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.14所表示是一个既简单、赔偿效果又很好赔偿线路。它是在控制电流极并联一个适当赔偿电阻r0,这个电阻起分流作用。当温度升高时,霍尔元件内阻快速增加,所以流过元件电流减小,而流过赔偿电阻r0电流却增加。这么,利用元件内阻温度特征和一个赔偿电阻,就能自动调整流过霍尔元件电流大小,从而起到赔偿作用。r0大小可经过以下推导求得。第42页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.14温度赔偿电路第43页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器设在某一基准温度T0时有以下关系：I=IH0+I0(4.6)(4.7)式中：I恒流源输出电流；IH0温度为T0时,霍尔元件控制电流；I0温度为T0时,经过赔偿电阻电流；R0温度为T0时,霍尔元件内阻；r0温度为T0时赔偿电阻。当温度升到T时,同理可得（4.8）第44页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器式中：R是当温度为T时霍尔元件内阻,R=R0（1+t）(是霍尔元件内阻温度系数；t=T-T0,为相对于基准温度温差)；r是当温度为T时赔偿电阻阻值,r=r0(1+t)(是赔偿电阻温度系数)。当温度为T0时,霍尔电势为UH0=KH0IH0B （4.9）式中,KH0是当温度为T0时霍尔元件灵敏度。设KH=KH0（1+t）,当温度为T时,霍尔电势为UH=KHIHB=KH0（1+t）IHB (4.10)第45页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器式中：KH是当温度为T时霍尔元件灵敏度；是霍尔电势温度系数。假如在赔偿以后,输出霍尔电势不随温度改变,也就是满足以下条件：UH=UH0（4.11）第46页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器说明霍尔电势温度误差得到了全赔偿。即有KH0（1+t）IHB=KH0I H0B于是(1+t)IH=IH0由式（4.7）和式（4.8）,并将r、R用r0、R0表示,得(4.12)将式（4.12）左边展开,并略去t2项（温差t100时,因、很小,故此项很小）,则r0=R0(-)第47页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器因为、比小得多,即,所以式（4.13）可近似为(4.14)经过上式就能够确定赔偿电阻r0大小。当霍尔元件给定后,霍尔元件内阻温度系数和霍尔电势温度系数能够从元件参数表中查到,而元件内阻R0则能够直接测量出来。第48页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器实践表明,赔偿后霍尔电势受温度影响极小,且这种赔偿方法对霍尔元件其它性能并无影响,只是输出电压稍有降低。这显然是因为流过霍尔元件控制电流被赔偿电阻分流缘故。只要适当增大恒流源输出电流,使经过霍尔元件电流到达额定电流,输出电压就会不变。表4.1列出了惯用霍尔元件特征参数。第49页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器表表4.1 惯用霍尔元件特征参数惯用霍尔元件特征参数第50页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.3 磁阻元件磁阻元件4.3.1长方形磁阻元件长方形磁阻元件结构如图4.15所表示,其长度L大于宽度b,在两端部制成电极,组成两端器件。长方形磁阻元件工作原理是：在固体中因为杂质原子和晶格振动,妨碍电子运动,因为这种妨碍存在,使电子运动速度可减到零。电子运动轨道如图4.16所表示。不难看出,载流子因为是弧形运动,在磁场中走过旅程增加,它们受到妨碍程度也就增加,从而引发电阻率增加。第51页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.15长方形和高灵敏度元件第52页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.16在电场和磁场相互垂直固体中电子运动第53页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.3.2科尔宾元件科尔宾（Corbino）元件结构如图4.17所表示。在圆盘形元件外圆周围和中心处,装上电流电极,将含有这种结构磁阻元件称为科尔宾元件。第54页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.17科尔宾元件第55页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器科尔宾元件盘中心部分有一个圆形电极,盘外沿是一个环形电极。两个极间组成一个电阻器,电流在两个电极间流动时,载流子运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大。在电流横向,电阻是无“头”无“尾”,所以霍尔电势无法建立,有效地消除了霍尔电场短路影响。因为不存在霍尔电场,电阻会随磁场有很大改变。霍尔电势被全部短路而不在外部出现,电场呈放射形,电流在半径方向形成涡旋形流动。这是能够取得最大磁阻效应一个形状。第56页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.3.3平面电极元件将长方形Lb减小,磁阻效应RR0也就变大,零磁场 电 阻 R0也 变 小,但 由 磁 场 而 引 发 阻 值 改 变 量R（R=R-R0）不会变大。往往以电压改变来作为实际输出,而电压改变用R与电流乘积来表示。为了加大磁阻效应就要使电阻变大。从原理上讲,假如把Lb比值小元件多个串联,就能处理问题。尽管这么结构很好,不过制作困难,不能实用。第57页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器平面电极元件结构如图4.18所表示,电极配置成平面状。这种结构磁阻效应比在元件端面上配置电极结构要稍差一些,但可应用镀膜技术和光刻技术,在同一块基片上同时、大量制造这种元件。通常以研磨或镀膜方法制成InSb（锑化铟）薄膜。使用研磨方法时,是将单晶体研磨成厚度约为10m性能良好元件。不过,要将单晶体研磨成薄片,其技术难度大。对于真空镀膜来说,因为能取得小于1m薄膜,所以阻值会增加。尽管真空镀膜膜比单晶膜电子迁移率小很多,磁阻效应也要小,不过生产效率高,价格低廉。第58页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.18平面电极元件第59页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.3.4InSb-NiSb共晶磁阻元件InSb-NiSb共晶材料特点是在InSb晶体中掺杂NiSb,在结晶过程中会析出沿着一定方向排列细长NiSb针状晶体,如图4.19所表示。针状晶体导电性能良好,其直径为1m,长度为100m左右。因为NiSb在InSb中是平行整齐、有规则排列,所以可将它看作为栅格金属条,起着短路霍尔电势作用,相当于几何形状效应。它是几何形状长宽比Lb=0.2扁条状磁阻元件串联元件。图4.20示出了三种元件磁阻效应情况。其中未掺杂InSb-NiSb磁阻元件叫D型,掺杂InSb-NiSb磁阻元件叫L、N型。从图中能够看出,掺杂磁阻元件灵敏度下降。但从温度关系曲线上将会发觉,其温度特征得到了改进。第60页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.19InSb-NiSb共晶元件第61页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.20三种元件磁阻效应特征第62页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.3.5波折形磁阻元件不论是平面电极元件,还是InSb-NiSb共晶元件,为了深入提升电阻值,往往采取图4.21(a)所表示单个波折形结构。图4.21(b)是用两个波折元件组成一个差动式元件,其优点是可将磁阻元件阻值在无磁场情况下做到数百欧甚至数千欧。第63页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.21波折形磁阻元件第64页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.3.6磁阻元件温度赔偿用InSb材料制作磁阻元件,其特征受温度影响很大。图4.22示出了三种温度特征曲线。图中符号D、L、N与图4.20中相对应。由这两个图可知,普通磁场灵敏度越大,受温度影响也越大。实际使用磁阻元件时,要依据实际情况灵活选择其类型。当元件选定以后,还必须按照用途进行有效温度赔偿。用两个成正确元件组成差动式磁组元件,多用于电位差计。图4.23中示出了这种情况温度赔偿例子。图中RM为磁阻元件,r1、r2为温度赔偿元件。第65页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.22温度特征曲线第66页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.23差动式元件温度赔偿法第67页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.4 磁敏二极管磁敏二极管4.4.1磁敏二极管结构磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换。磁敏二极管属于长基区二极管,是p+-i-n+型,其结构如图4.24所表示。其中i为本征（完全纯净、结构完整半导体晶体）或靠近本征半导体,其长为L,它比载流子扩散长度大数倍,其两端分别为高掺杂区域p+、n+；假如本征半导体是弱N型则为p+-v-n+型,如是弱P型则为p+-n+型。在v或区一侧用扩散杂质或喷砂方法制成高复合区称r区,与r区相正确另一侧面保持光滑,为低（或无）复合面。第68页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.24锗磁敏二极管结构及电路符号第69页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.4.2磁敏二极管工作原理对 普 通 二 极 管,在 加 上 正 向 偏 置 电 压 U+时,U+=Ui+Up+Un。式中Ui为i区压降,Up、Un分别为pi+、in+结压降。若无外界磁场影响,在外电场作用下,大部分空穴由p+区向i区注入,而电子则由n+区向i区注入,这就是人们所说双注入长基区二极管,其注入i区空穴和电子数基本是相等。因为运动空间“很大”,除少数载流子在体内复合掉之外,大多数分别抵达n+和p+区,形成电流,总电流为I=Ip+In。第70页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器而对磁敏二极管,情况就不一样了。当受到正向磁场作用时,电子和空穴受洛伦兹力作用向r区偏转,如图4.25所表示。因为r区是高复合区,所以进入r区电子和空穴很快被复合掉,因而i区载流子密度降低,电阻增加,则Ui增加,在两个结上电压Up、Un则对应降低。i区电阻深入增加,直到稳定在某一值上为止。相反,磁场改变方向,电子和空穴将向r区对面低（无）复合区流动,则使载流子在i区复合减小,再加上载流子继续注入i区,使i区中载流子密度增加,电阻减小,电流增大。一样过程进行正反馈,使注入载流子数增加,Ui降低,Up、Un增加,电流增大,直至到达某一稳定值为止。第71页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.25磁敏二极管载流子受磁场影响情况第72页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.4.3磁敏二极管特征1.电流-电压特征图4.26示出了Ge磁敏二极管电流-电压特征曲线。图中B=0曲线表示二极管不加磁场时情况,B取+或B取-表示磁场方向不一样。从图中能够看出：输出电压一定,磁场为正时,伴随磁场强度增加,电流减小,表示磁阻增加,磁场为负时,伴随磁场强度向负方向增加,电流增加,表示磁阻减小。同一磁场之下,电流越大,输出电压改变量也越大。第73页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.26Ge磁敏二极管伏安特征曲线第74页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器Si磁敏二极管电流-电压特征曲线如图4.27所表示。值得注意是,在图4.27（b）中出现了“负阻”现象。其原因是高阻i区热平衡载流子少,注入i区载流子在未填满复合中心前不会产生较大电流。只有当填满复合中心后电流才开始增加,同时i区压降降低,表现为负阻特征。第75页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.27Si磁敏二极管伏安特征曲线第76页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.磁电特征在给定条件下,把磁敏二极管输出电压改变量与外加磁场关系叫做磁敏二极管磁电特征。图4.28给出了磁敏二极管磁电特征曲线。单个使用时,正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度。互补使用时,正向特征与反向特征曲线基本对称。磁场强度增加时,曲线有饱和趋势；在弱磁场下,曲线有很好线性。第77页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.28磁敏二极管磁电特征曲线第78页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器3.温度特征温度特征是指在标准测试条件下,输出电压改变量U随温度改变规律,如图4.29所表示。从图中能够看出,元件受温度影响较大。第79页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.29磁敏二极管（单个使用）温度特征曲线第80页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器反应温度特征好环,可用U0和U温度系数来表示。其参数大小如表4.2所表示。第81页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器表4.2Ge、Si磁敏二极管U0及U温度系数第82页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.磁灵敏度磁敏二极管磁灵敏度有三种定义方法。（1）在恒流条件下,偏压随磁场改变,电压相对磁灵敏度SU为式中：U0是磁场强度为零时,磁敏二极管两端电压；UB是磁场强度为B时,磁敏二极管两端电压。SU测量电路如图4.30所表示。第83页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.30电压相对磁灵敏度测量电路第84页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器（2）在恒压条件下,偏流随磁场改变,电流相对磁灵敏度SI为式中：I0是给定偏压下,磁场为零时,经过磁敏二极管电流；IB是给定偏压下,磁场为B时,经过磁敏二极管电流。SI测量电路如图4.31所表示。第85页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.31电流相对磁灵敏度测量电路第86页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器（3）按照标准测试,在给定电源E和负载电阻R条件下,电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度被定义为式中：U0、I0是磁场为零时,磁敏二极管两端电压和流过电流；UB、IB是磁场为B时,磁敏二极管两端电压和经过电流。测定SRU和SRI电路如图4.32所表示。第87页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.32标准测试方法电路原理图第88页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.4.4磁敏二极管赔偿技术1.互补式温度赔偿电路互补式温度赔偿电路如图4.33(a)所表示。使用该电路时,应选取特征相近两只管子,按相反磁极性组合,即管子磁敏感面相对或相背重合放置,或选取磁敏对管,将两只管子串接在电路上。2.热敏电阻温度赔偿电路热敏电阻温度赔偿电路如图4.33(b)所表示。第89页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图图4.33 温度赔偿电路温度赔偿电路 第90页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.5 磁敏三极管磁敏三极管4.5.1磁敏三极管结构1.Ge磁敏三极管结构Ge磁敏三极管结构及电路符号如图4.34所表示。它是在弱P型准本征半导体上用合金法或扩散法形成三个极。有发射极e,基极b,集电极c。相当于在磁敏二极管长基区一个侧面制成一个高复合区r。第91页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.34NPN型Ge磁敏三极管结构和电路符号第92页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.Si磁敏三极管Si磁敏三极管是用平面工艺制造,其结构如图4.35所表示。它普通采取N型材料,经过二次硼扩散工艺,分别形成发射区和集电区,然后扩磷形成基区而制成PNP型磁敏三极管。因为工艺上原因,极少制造NPN型磁敏三极管。第93页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.35Si磁敏三极管结构第94页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.5.2磁敏三极管工作原理如图4.36（a）所表示,当不受磁场作用时,因为磁敏三极管基区长度大于载流子有效扩散长度,所以发射区注入载流子除少部分输入到集电极c外,大部分经过e-i-b,形成基极电流。由此可见,基极电流大于集电极电流,所以电流放大倍数=IcIb1。如图4.36(b)所表示,当受到H+磁场作用时,因为受洛伦兹力影响,载流子向发射区一侧偏转,从而使集电极电流Ic显著下降。当受到H-磁场作用时,如图4.36(c)所表示,载流子受洛伦兹力影响,向集电区一侧偏转,使集电极电流Ic增大。第95页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.36磁敏三极管工作原理示意图第96页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.5.3磁敏三极管特征1.伏安特征图4.37示出了磁敏三极管伏安特征曲线。图4.37（a）为无磁场作用时伏安特征；图4.37（b）为在恒流条件下,Ib=3mA,磁场为正、负1kGs时集电极电流Ic改变情况。第97页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.37磁敏三极管伏安特征曲线第98页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器NPN型Ge磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）磁电特征曲线如图4.38所表示。从图中可见,在弱磁场情况下,3BCM磁敏三极管磁电特征靠近线性改变。NPN型Ge磁敏三极管（3BCM磁敏三极管）磁电特征曲线如图4.38所表示。从图中可见,在弱磁场情况下,3BCM磁敏三极管磁电特征靠近线性改变。第99页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.383BCM磁敏三极管磁电特征第100页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器3.温度特征3BCM磁敏三极管温度特征曲线如图4.39所表示。图4.39（a）为基极恒压时温度特征曲线,图4.39(b)为基极恒流时温度特征曲线。当温度从T1升到T2时,集电极电流Ic温度灵敏度系数表示式为式中,Ic(T0)表示T0=25时集电极电流。第101页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.393BCM磁敏三极管温度特征第102页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器除了用dI表示之外,也能够用磁灵敏度h来表示。当温度从T1升到T2时,磁灵敏度h改变值可用磁灵敏度温度系数表示为4.5.4温度赔偿技术同磁敏二极管一样,磁敏三极管温度依赖性也较大。若使用Si磁敏三极管,注意到其集电极电流含有负温度系数特点,可采取以下几个方法进行温度赔偿。1.利用正温度系数普通硅三极管进行赔偿其电路如图4.40(a)所表示。第103页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.40温度赔偿电路第104页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.利用磁敏三极管互补电路由PNP和NPN型磁敏三极管组成互补式赔偿电路如图4.40(b)所表示。假如图中两种磁敏三极管集电极温度特征完全一样,则互补电路输出电压不随温度发生漂移。3.采取磁敏二极管赔偿电路因为Ge磁敏二极管电流随温度升高而增加,利用这一特征可将其作为Ge磁敏三极管负载以赔偿输出电压漂移,如图4.40(c)所表示。4.采取差分赔偿电路用两只磁、电等特征一致,而磁场特征相反磁敏三极管组成差分赔偿电路。这种赔偿方法可提升磁灵敏度。其电路如图4.40(d)所表示。第105页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.6 磁敏传感器应用磁敏传感器应用4.6.1霍尔元件应用1.霍尔位移传感器如图4.41(a),在极性相反、磁场强度相同两个磁钢气隙中放置一个霍尔元件。当元件控制电流I恒定不变时,霍尔电势UH与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向改变梯度dBdx为一常数（见图4.40(b)）,则当霍尔元件沿x方向移动时,霍尔电势改变为第106页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器式中,k是位移传感器输出灵敏度。将式（4.15）积分后得UH=kx式(4.16)说明,霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势极性反应了元件位移方向。磁场梯度越大,灵敏度越高；磁场梯度越均匀,输出线性度越好。当x=0,即元件位于磁场中间位置上时,UH=0。这是因为元件在此位置受到方向相反、大小相等磁通作用结果。霍尔位移传感器普通可用来测量12mm小位移。其特点是惯性小,响应速度快,无接触测量。利用这一原理还能够测量其它非电量,如力、压力、压差、液位、加速度等。第107页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.41霍尔位移传感器磁路结构示意图(a)磁路结构；（b）磁场改变第108页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.霍尔压力传感器图4.42是HYD型压力传感器。这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后,再应用霍尔电势与位移关系测量压力。作为压力敏感元件弹簧管,其一端固定,另一端安装着霍尔元件。当输入压力增加时,弹簧管伸长,使处于恒定梯度磁场中霍尔元件产生对应位移,从霍尔元件输出电压大小即可反应出压力大小。其元件位移在1.5mm范围内,输出约20mV,工作电流10mA,线性很好。第109页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.42HYD型压力传感器第110页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器3.霍尔磁极检测器使用霍尔元件能够很方便地制作检验磁铁N极、S极磁极检测器。磁极检测器电路如图4.43所表示。电路中使用了输出电压大InSb霍尔元件H1。H1在恒压条件下工作,电阻R1(330)是限流电阻,发光二极管是电流指示灯。在霍尔元件中流过电流Ic为式中：Ucc为电源电压；ULED为发光二极管正向电压；RH为霍尔元件电阻。图中选取霍尔元件RH=300,使Ic约为100mA。第111页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.43磁极检测器电路第112页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器霍尔电压UH由运算放大器A1和A2放大100倍,N极、S极可用满刻度为0.2模拟表指示。当然，使用在调谐器中所用调谐指示比较方便。被测磁铁很大时,表针可能会超出指示范围,为此要加上二极管V1和V2,将加在表上电压限制在0.60.7V。为了确保表头上流过0.2mA电流,取R3=3k。因为有二极管V1和V2限流作用,R2可取2k,流过二极管最大电流约有4mA。该检测器使用简便,当用它靠近被测磁铁,表针就会指示出极性。电路图中Rw用于调整霍尔传感器偏移电压。没有磁铁靠近时,表针应处于中心位置,改变Rw,便可到达零点调整。第113页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器H1是由先锋企业精密生产InSb霍尔元件,霍尔电压130300mV（12mA,1kGs)，非一致性35mV%,输入电阻150600,最大工作电流20mA。4.霍尔转速测量仪利用霍尔效应测量转速有两种可行方案,分别如图4.44(a)和4.44(b)所表示。图4.44(a)中将永磁体安装在旋转轴轴端；图4.44(b)中是将永磁体安装在旋转轴轴侧。霍尔元件放置于磁体气隙中,当轴转动时,霍尔元件输出电压则包含有轴转速信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后,便可求得转速数据。第114页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.44利用霍尔效应测量转速方案（a）永磁体安装在轴端；（b）永磁体安装在轴侧第115页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器5.用霍尔元件测量电流用霍尔元件测量工程上大直流电流,往往含有结构简单、成本低廉、准确度高等很多优点。惯用测量方法有：旁测法；贯串法；绕线法等。1）旁测法旁测法是一个较简单方法,其测量方案如图4.45所表示。将霍尔元件放置在通电导线附近,给霍尔元件加上控制电流,被测电流产生磁场将使霍尔元件产生对应霍尔输出电压,从而可得到被测电流大小。该法只适宜于那些要求不很高测量场所。第116页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2）贯串法贯串法是一个较实用方法,其测量方案如图4.46所表示。该法是把铁磁材料做成磁导体铁心,使被测通电导线贯串它中央,将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体气隙中,于是,可经过环形铁心来集中磁力线。当被测导线中有电流流过时,在导线周围就会产生磁场,使导磁体铁心磁化成一个暂时性磁铁,在环形气隙中就会形成一个磁场。通电导线中电流越大,气隙处磁感应强度就越强,霍尔元件输出霍尔电压UH就越高,依据霍尔电压大小,就能够得到通电导线中电流大小。该法含有较高测量精度。第117页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.45旁测法第118页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.46贯串法第119页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器结合实际应用,还可把导磁铁心做成如图4.47所表示钳式形状或非闭合磁路形状等。第120页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.47贯串法两种形式（a）钳式；（b）非闭合磁路式第121页第第4章章 磁敏传感器磁敏传