第6章 固态磁敏传感器 本章主要内容 6.1霍尔式传感器 max.book118.com 霍尔效应 max.book118.com 霍尔传感器工作原理 max.book118.com 霍尔元件基本特性 max.book118.com 霍尔元件不等位电势补偿 max.book118.com 霍尔式传感器的应用 6.2 磁敏二极管和磁敏三极管 max.book118.com 磁敏二极管 （1）磁敏二极管的结构（2）磁敏二极管的工作原理 （3）磁敏二极管的主要特征 max.book118.com 磁敏三极管 （1）磁敏三极管的结构（2）磁敏三极管的工作原理 （3）磁敏三极管的主要特征 6.3 磁敏电阻 目录 本章主要内容 熟悉霍尔效应，掌握霍尔式传感器的工作原理和基本特性 了解霍尔式传感器的不等电位补偿方法及其霍尔式传感器的一些应用 了解磁敏二极管和磁敏三极管的工作原理及其主要特性 了解磁敏电阻的工作原理 max.book118.com应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。 + I + + + + + + + + + + + － － － － － － Ｂ l w d 霍耳效应原理图 VH 6.1霍尔式传感器 霍尔效应演示 max.book118.com 霍尔传感器工作原理 设霍尔片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力 q—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。 同时，作用于电子的电场力 当达到动态平衡时 霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成： 电流密度j=nqv n—N型半导体中的电子浓度 N型半导体 P型半导体 p—P型半导体中的孔穴浓度 VH＝ KH I B 若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为： VH＝ KH I B cosθ 设 KH=RH / d ， 控制电流I； 霍耳电势VH； 控制电压V； 输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。 VH R3 V B I E IH 霍耳器件的基本电路 R 同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式： 设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式： max.book118.com 霍尔元件基本特性 1） 额定激励电流和最大允许激励电流 2） 输入电阻和输出电阻 3） 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 4） 寄生直流电势 5） 霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化1℃时, 霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。 max.book118.com 霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级, 有时甚至超过霍尔电势, 而实用中要消除不等位电势是极其困难的, 因而必须采用补偿的方法。 max.book118.com 霍尔式传感器的应用 （1） 霍尔式微位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点, 它不仅用于磁感应强度#, 有功功率及电能参数的测量, 也在位移测量中得到广泛应用。 （2）霍尔式转速传感器 霍尔传感器可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。 汽车转速测量 （3）霍尔计数装置 （4）测转角 叶片和齿轮位置传感器 （4）位置检测 铁磁材料裂纹检测 6.2 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。 max.book118.com 磁敏二极管 （1）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。 + （b） 磁敏二极管的结构和电路符号 (a)结构; (b)电路符号 H+ H- N+区 p+区 i区 r区 电流 （a） P N P N P N H=0 H+ H- → → → ← ← ← 电流 电流 电流 （a） （b） （c） 磁敏二极管的工作原理示意图 （2）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化， i i i 电子 孔穴 复合区 结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。 (3) 磁敏二极管的主要特征 1）伏安特性 -0.2 2 1 3 5 7 9 U/V I/mA 0 0.2T 0.15T 0.1T 0.05T -0.05T （a） 5 3 1 I/mA 4 6 8 10 U/V -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 （b） 5 3 1 I/mA 4 8 12 16 U/V -0.1 0 0.1 0.4 0.3 0.2 -0.3 （c） 磁敏二极管伏安特性曲线 （a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管 -0.1T -0.15T -0.2T 0 0 0 2）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。 磁敏二极管的磁电特性曲线 （a）单个使用时（b）互补使用时 B / 0.1T 1.0 2.0 3.0 -1.0 -2.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 -0.4 -0.8 -1.2 -1.6 -2.0 B / 0.1T 2.0 -1.0 -2.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 -0.4 -0.8 -1.2 -1.6 -2.0 1.0 ? 3kΩ R E E=12V（18V） Td=20℃ （a） （b） ΔU/V ΔU/V 3）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量 （或无磁场作用时中点电压 ）随温度变化的规律， 如图所示。 ΔU/V T/℃ 0 20 40 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 E=6V B = 0.1T 80 60 -20 I/mA -5 -4 -3 -2 -1 I 磁敏二极管温度特性曲线 (单个使用时) ΔU 4）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流
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