传感器课件刘笃仁版第4章 磁敏传感器.ppt

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1、2023/9/21,第4章 磁敏传感器,4.1 磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应4.2 霍尔元件4.3 磁 阻 元 件4.4 磁敏二极管4.5 磁敏三极管4.6 磁敏传感器的应用思考题与习题,2023/9/21,磁敏传感器通常指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器。磁敏传感器主要是利用霍尔效应及磁阻效应原理构成的。构成磁敏传感器的敏感元件有霍尔元件、磁阻元件、磁敏晶体管、磁敏集成电路。,2023/9/21,4.1 磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应,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。按其结构可分为体型和结型两大类。体型的有霍尔传感

2、器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。结型的有磁敏二极管Ge、Si,磁敏晶体管Si,应用范围可分为模拟用途和数字用途。,2023/9/21,4.1.1 霍尔效应有一如图4.1所示的半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。,图7-1 霍尔效应,若薄片为N型，控制电流I自左向右,多数载流子电子沿与I反向运动，B使电子受到 Lorentz FL而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电

3、子带正电，前后端面间形成电场积累越多，电场越强.当FL与FE相等时的电场为EH，相应的电势为霍尔电势UH。,2023/9/21,4.1.2 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变化。这种现象称为磁致电阻效应，简称为磁阻效应。,2023/9/21,式中：B磁感应强度；电子迁移率；0零磁场下的电阻率；B磁感应强度为B时的电阻率。,当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为：,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电

4、子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化.,2023/9/21,则电阻率的相对变化为：,由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb（锑化铟）和InAs（砷化铟）等半导体的载流子迁移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。,设电阻率的变化为:,2023/9/21,磁阻的大小除了与材料有关外，还和磁敏元件的几何形状有关。在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：,式中：f(lb)为形状效应系数；l为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。,4.1.

5、3 形状效应,2023/9/21,4.2 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的。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。,2023/9/21,如图4.1所示，假设在N型半导体薄片上通以电流I，那么半导体中的载流子（电子）将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场B，则由于洛伦兹力fL(fL=evB）的作用，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的继续偏转，当电场作用在运动电子上的力fE(fE=eUHb)与洛伦兹力fL相等时，电子的积累便达到动态平衡。,2

6、023/9/21,(伏米2(安韦伯)，即Vm2(AWb)KH称为霍尔元件的灵敏度。于是：UH=KHIB(4.3),这时在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的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）。,2023/9/21,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件的灵敏度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的一个重要参数，一般要求它越大越好。KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。由于半导体（尤其是N型半导体

7、）的霍尔常数RH要比金属的大得多，所以在实际应用中，一般都采用N型半导体材料做霍尔元件。元件的厚度d对灵敏度的影响也很大，元件越薄，灵敏度就越高。,2023/9/21,由上式可见，当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势极性不变。施加在霍尔元件上的磁感应强度为B的磁场是垂直于薄片的，即磁感应强度B的方向和霍尔元件的平面法线是一致的。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcos）时:,2023/9/21,图4.2 霍尔元件示意图,4.2.2 霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引

8、线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成，见图4.2。在长边的两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1，1），在元件短边的中间以点的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）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。,2023/9/21,2023/9/21,霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处

9、称为霍尔电极。,2023/9/21,4.2.3 基本电路在电路中，霍尔元件可用如图4.3所示的几种符号表示。标注时，国产器件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品序号。如HZ-1元件，说明是用锗材料制成的霍尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表4.1(P84)。,图4.3 霍尔元件的符号,2023/9/21,图4.4示出了霍尔元件的基本电路。控制电流由电源E供给；R为调节电阻，用于调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在

10、实际使用时，I、B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B，或正比于两者的乘积。,图4.4 霍尔元件的基本电路,2023/9/21,建立霍尔效应所需的时间很短（约10-1210-14s），因此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）。在实际应用中，霍尔元件可以在恒压或恒流条件下工作，其特性不一样。究竟应用采用哪种方式，要根据用途来选择。1.恒压工作如图4.5所示，恒压工作比恒流工作的性能要差些，只适用于对精度要求不太高的地方。,2023/9/21,图4.5 恒压工作的霍尔传感器电路,B=1KGs,(2155mV),2023/9/21,当使用SHS210霍尔元件时，工作在1V、1 kG

11、s(1Gs=10-4T)时，输出电压为2155mV，偏移电压为7%（最大）（1.473.85 mV）。无磁场时偏移电压不变，在弱磁场下工作不利。偏移电压可以调整为零，但与运算放大器一样，并不能去除其漂移成分。在恒压条件下性能不好的主要原因为霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。输入电阻的温度系数因霍尔元件的材料型号而异，GaAs型为0.3%(最大)，InSb型为-2%（最大）。,2023/9/21,Rsr为霍尔元件的输入电阻。对GaAs（砷化镓）霍尔元件而言，温度上升则电阻值变大（+0.3%），控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化-0.3%(最大)，加上若恒压源工作时自身变化-0.06

12、%，其温度特性就显得很不好。对于InSb（锑化铟）霍尔元件而言，若恒压工作时恒压源自身的温度系数为-2%（最大），与电阻变化的-2%相互抵消，则元件的温度系数反而变小。,恒压工作的控制电流为：,2023/9/21,2.恒流工作为了充分发挥霍尔传感器的性能，最好使用恒流源供电，即恒流工作，电路如图4.6所示。在恒流工作下，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。,图4.6 恒流工作的霍尔传感器电路,50120 mV,2023/9/21,恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差些。特别是InSb（锑化铟）霍尔元件，由于输入电阻的温度系数大，偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103A GaAs

13、（砷化镓）霍尔元件，在5 mA工作电流、1 kGs下，输出电压50120 mV，此时的偏移电压为10%（512 mV）。,2023/9/21,4.2.4 电磁特性 霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系，霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系等。1.H-I特性 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）。,图4.9 霍尔元件的UH-I特性曲线,2023/9/21,直线的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),由上式可知，霍尔元件的灵敏度KH越

14、大，控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大的元件，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有关，还与控制电流有关。因此即使灵敏度不大的元件，如果在较大的控制电流下工作，那么同样可以得到较大的霍尔输出。,2023/9/21,2.UH-B特性固定控制电流，元件的开路霍尔输出随磁场的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以下时线性度较好，如图4.10所示。使用中，若对线性度要求很高时，可采用HZ-4，它的线性偏离一般不大于0.2%。,图4.10 霍尔元件的UH-B特性曲线,2023/9/21,4.2.5 误差分析及误差补偿,1.不等位电势及其补偿不等位电

15、势是一个主要的零位误差。由于在制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如图4.11所示，因此当控制电流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。,图4.11 不等位电势示意图,2023/9/21,电桥臂的四个电阻分别为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所示，因r3增大，r4减小，则电桥失去平衡，因此输出电压Uo就不等于零。,图4.12 霍尔元件的等效电路,恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。,在分析不等位电势时，我们

16、把霍尔元件等效为一个电桥，如图4.12所示。,2023/9/21,在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向，就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不等位电势。对已制成的霍尔元件，可以采用外接补偿线路进行补偿。常用的几种补偿线路如图4.13所示。,2023/9/21,图4.13 几种常用补偿方法,B,B,B,2023/9/21,2.温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化，因此霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）对温度的变化也是很灵敏的。为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件（如砷化铟）或采用恒温措施外，用恒流源供电往往可以得

17、到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题，还必须结合其它补偿线路。,2023/9/21,图4.14所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制电流极并联一个合适的补偿电阻r0，这个电阻起分流作用。当温度升高时，霍尔元件的内阻迅速增加，所以流过元件的电流减小，而流过补偿电阻r0的电流却增加。这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻，就能自动调节流过霍尔元件的电流大小，从而起到补偿作用。,图4.14 温度补偿电路,2023/9/21,(4.14),是霍尔元件的内阻温度系数,是霍尔电势的温度系数,R0

18、温度为T0时，霍尔元件的内阻可以直接测量出来。,实践表明，补偿后霍尔电势受温度的影响极小，且这种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响，只是输出电压稍有降低。这显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流，使通过霍尔元件的电流达到额定电流，输出电压就会不变。,2023/9/21,霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。,4.2.6 霍耳开关集成传感器,202

19、3/9/21,2023/9/21,磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的,磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。,（2）给传感器施加磁场的方式,2023/9/21,磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。,2023/9/21,采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度,在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应

20、强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。,2023/9/21,霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等,4.霍耳开关集成传感器的应用领域,2023/9/21,1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电

21、流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳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。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。,4.2.7 霍耳线性集成传感器,2023/9/21,单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调

22、零。其典型产品是SL3501M。,2023/9/21,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)传感器的输出特性如下图：,2023/9/21,2霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)传感器的输出特性如下图：,2023/9/21,（七）霍耳磁敏传感器的应用 利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触

23、点开关等。,2023/9/21,利用霍耳传感器制作的仪器优点：(1)体积小，结构简单、坚固耐用。(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。,2023/9/21,4.6.1 霍尔元件的应用1.霍尔位移传感器如图4.41(a)，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与磁感应强度B成正比。,图4.41 霍尔

24、位移传感器的磁路结构示意图(a)磁路结构；（b）磁场变化,磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dBdx为一常数,2023/9/21,式中：k是位移传感器的输出灵敏度。将式（4.15）积分后得：UH=kx（4.16）式(4.16)说明，霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性反映了元件位移的方向。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。这是由于元件在此位置受到方向相反、大小相等的磁通作用的结果。,（4.15）,若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dBdx为一常数（见图4.40(b)），则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为：

25、,2023/9/21,霍尔位移传感器一般可用来测量12mm的小位移。其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其它非电量，如力、压力、压差、液位、加速度等。后面给出了一些霍尔式位移传感器的工作原理图,2023/9/21,图（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零，此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器，其动态范围可达5 mm，分辨率

26、为0.001mm。,磁场强度相同传感器,2023/9/21,图（b）是一种结构简单的霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位置x=0时，霍尔电势UH等于零。,简单的位移传感器,2023/9/21,2.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。,图4.42 HYD型压力传感器,作为压力敏感元件的弹簧管，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的霍尔元件产生相应的位移，从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小。其元件的位移在1.5mm范

27、围内，输出约20mV，工作电流10 mA，线性较好。,2023/9/21,图4.43 磁极检测器电路,3.霍尔磁极检测器,输出电压大的InSb,限流电阻,当用它靠近被测磁铁时，表针就会指示出极性,电流指示灯,2023/9/21,霍尔元件放置于磁体的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后，便可求得转速的数据。,4.霍尔转速测量仪,利用霍尔效应测量转速有两种可行的方案，图4.44(a)中将永磁体安装在旋转轴的轴端；,2023/9/21,图4.44(b)中是将永磁体安装在旋转轴的轴侧。,霍尔元件放置于磁体的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压

28、则包含有轴转速的信息。将霍尔元件输出电压经处理电路处理后，便可求得转速的数据。,2023/9/21,图7-16 几种霍尔式转速传感器的结构,转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便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。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。,2023/9/21,5.用霍尔元件测量电流用霍尔元件测量工程上的大直流电流，往往具有结构简单、成本低廉、准确度高等诸多优点。常用的测量方法有：旁测法；贯串法；绕线法等。,2023/9/21,图4.45 旁测法,1）旁测法 旁测法

29、是一种较简单的方法，其测量方案如图4.45所示。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，被测电流产生的磁场将使霍尔元件产生相应的霍尔输出电压，从而可得到被测电流的大小。该法只适宜于那些要求不很高的测量场合。,2023/9/21,2）贯串法 贯串法是一种较实用的方法，其测量方案如图4.46所示。该法是把铁磁材料做成磁导体的铁心，使被测通电导线贯串它的中央，将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中，于是可通过环形铁心来集中磁力线。,图4.46 贯串法,2023/9/21,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

30、场。通电导线中的电流越大，气隙处的磁感应强度就越强，霍尔元件输出的霍尔电压UH就越高，根据霍尔电压的大小，就可以得到通电导线中电流的大小。该法具有较高的测量精度。,2023/9/21,图4.47 贯串法的两种形式（a）钳式；（b）非闭合磁路式,结合实际应用，还可把导磁铁心做成如图4.47所示的钳式形状或非闭合磁路形状等。,2023/9/21,3）绕线法 磁心绕线法是又一种测量方案，其原理如图4.48所示。它是用标准环形导磁铁心与霍尔集成传感器组合而成。把被测通电导线绕在导磁铁心上，据有关文献资料报道，若霍尔传感器选用SL3501M，则每1安1匝在气隙处可产生0.0056 T的磁感应强度。若测量

31、范围是020A，则被测通电导线绕制9匝，便可产生约00.1 T的磁感应强度。此时，SL3501M会产生约1.4 V的电压输出。,图4.48 绕线法,2023/9/21,6.霍尔开关按键霍尔开关按键是由霍尔元件装配键体而成的开关电键。霍尔电路用磁体作为触发媒介，当磁体接近霍尔电路时，产生一个电平信号，霍尔按键就是依靠改变磁体的相对位置来触发电信号的。霍尔开关是一个无触点的按键开关。霍尔电路具有一定的磁回差特性，在按下按键过程中，即使手指有所抖动，也不会影响输出电平的状态。按键的输出电平由集成元件的输出级提供，电平的建立时间极短。因此霍尔按键是一个无触点、无抖动、高可靠、长寿命的按键开关。南京半导

32、体器件总厂生产的HKJ系列霍尔开关按键已有7种型号，每种型号内又各有6个品种，如直键、斜键、弹簧式发光键、插片式发光键及带控制端的按键等。,2023/9/21,广泛用于计算机的各种输入键盘，各种控制设备中的控制键盘，各种面板上的按键开关，手动脉冲发生器等。其技术性能指标为：电键按力50g、120 g、300 g；按键全行程50.5 mm；导通行程30.5 mm；输出脉冲边沿宽度50 ns；寿命107次；使用环境温度-2055。这种无触点开关还可以进一步开发。现在最有希望的应用领域是无触点开关的霍尔电机，由于使用了无触点开关，因而可以作出无刷直流电动机。,2023/9/21,由稳压电路、霍耳元件

33、、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,霍耳开关集成传感器的结构及工作原理,2023/9/21,2023/9/21,2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍耳开关集成传感器的技术参数：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点。,该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处

34、于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,2023/9/21,7.霍尔集成传感器的应用1）用霍尔集成传感器控制LED的亮、灭用霍尔集成传感器控制LED亮、灭的电路如图4.49所示。霍尔集成传感器采用PST-525，其输出可视情况接入一个1 k的限流电阻，再去控制发光二极管LED的亮、灭。电路中，由于霍尔集成传感器采用NPN集电极开路输出形式，所以LED阳极接到电源正端。要增大LED的亮度，可以减小限流电阻增大IF，但受霍尔集成传感器的额定电流（十几 mA）的限制。为此当需要大电流时，可接入驱动晶体管。,2023/9/21,图4.49 LED亮、灭控制电路,限流

35、电阻,由于霍尔集成传感器采用NPN集电极开路输出形式，所以LED阳极接到电源正端,2023/9/21,2）用霍尔集成传感器控制电机的通断用霍尔集成传感器控制电机的通断电路如图4.50所示。霍尔集成传感器采用PST-525。为了增大驱动功率，电路中接入PNP型功率晶体管V1。该电路可以直接驱动1A左右的电流负载。此例为驱动直流电动机，也可以接螺线管、灯泡等负载。,图4.50 电机通断控制电路,2023/9/21,3）用霍尔集成传感器进行转数检测用霍尔集成传感器检测磁转子转数的电路如图4.51所示。电路中霍尔集成传感器采用了UGN3040，输出端接入一小功率PNP晶体管V。V的输出端B的信号极性与

36、UGN3040输出端A的相反，因此，该电路可以获得相位相反的两种信号A与B。,图4.51 转数检测电路,2023/9/21,4）用霍尔集成传感器进行无触点照明控制用霍尔集成传感器构成的无触点照明控制电路如图4.52所示。带有磁钢的机械臂或设备接近霍尔集成传感器时，系统将以无触点的方式控制灯的亮、灭。由图4.52可见，电路中霍尔集成传感器的输出端接有光电固态继电器SF5D-M1，用以带动交流100V的照明装置的通断。另外，SF5D-M1还起到高低压之间的电气隔离作用。该电路也可以控制100V交流感应电机或其它设备的通断。,2023/9/21,图4.52 无触点照明控制电路,固态继电器,带有磁钢的

37、机械臂或设备接近霍尔集成传感器时，系统将以无触点的方式控制灯的亮、灭。,光电固态固态继电器，用以带动交流100V的照明装置的通断。另外，SF5D-M1还起到高低压之间的电气隔离作用。该电路也可以控制100V交流感应电机或其它设备的通断,2023/9/21,（6）霍尔计数装置 霍尔开关传感器SL3501具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行计数检测。,霍尔计数装置的工作示意图,2023/9/21,图7-17是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球运动到磁场时被磁化，运动到SL3051时输出峰值电压，经IC放大后，驱动V输出低；走过后V输出高；即每过一个

38、钢球产生一个负脉冲，可计数和显示。,图7-17 霍尔计数装置的电路图,2023/9/21,4.3 磁阻元件 磁阻元件是一种电阻随磁场变化而变化的元件，也称MR元件。它的理论基础为磁阻效应。磁阻效应 若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以外磁场，则其电阻值就增加。此种现象为磁致电阻效应，简称为磁阻效应。,2023/9/21,式中：B磁感应强度；电子迁移率；0零磁场下的电阻率；B磁感应强度为B时的电阻率。,当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为：,在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增

39、加。若某种金属或半导体材料的两种载流子(电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化.,2023/9/21,则电阻率的相对变化为：,由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。InSb（锑化铟）和InAs（砷化铟）等半导体的载流子迁移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。,设电阻率的变化为:,2023/9/21,磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为几何磁阻效应。磁敏电阻大多采用圆盘结构。长方形磁阻器件只有在lb的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势.,2023/9/21,图4.15

40、长方形和高灵敏度元件,图4.16 在电场和磁场互相垂直的固体中电子的运动,2023/9/21,4.3.2 科尔宾元件（是最大磁阻效应的磁阻）科尔宾（Corbino）元件的结构如图4.17所示。在圆盘形元件的外圆周边和中心处，装上电流电极，将具有这种结构的磁阻元件称为科尔宾元件。,图4.17 科尔宾元件,2023/9/21,科尔宾元件的盘中心部分有一个圆形电极，盘的外沿是一个环形电极。两个极间构成一个电阻器，电流在两个电极间流动时，载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大。在电流的横向，电阻是无“头”无“尾”的，因此霍尔电势无法建立，有效地消除了霍尔电场的短路影响。由于不存在霍尔电场，电

41、阻会随磁场有很大的变化。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。这是可以获得最大磁阻效应的一种形状。,2023/9/21,结构：中心圆形电极 外沿环形电极 构成一个电阻器,原理：无磁场时，载流子的运动路径是沿径向的有磁场时，两极间电流会发生弯曲使电阻变大。,圆盘形的磁阻最大。大多做成圆盘结构。,2023/9/21,1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场电阻特性的斜率。常用K表示，在运算时常用RB/R0求得，R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值，RB为在施加0.3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下

42、，一般磁阻元件的灵敏度大于2.7。,（二）磁阻元件的主要特性,2023/9/21,2 磁场电阻特性,磁阻元件磁场电阻特性,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,在0.1T以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过0.1T后呈现线性变化,2023/9/21,3 电阻温度特性 下图是一般半导体磁阻元件的电阻温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。图中的电阻值在35的变化范围内减小了1/2。因此在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,半导体元件电阻-温度特性曲线,2023/9/21,（三）磁敏电阻的应用 磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角

43、位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、UPS、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。,2023/9/21,2023/9/21,磁敏二极管是电特性随外部磁场改变而显著变化的器件。它是继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的一种新型半导体磁敏元件。磁敏二极管是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型二端器件。,4.4 磁敏二极管,2023/9/21,4.4.1 磁敏二极管的结构磁敏二极管是利用磁阻效应

44、进行磁电转换的。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所示。其中i为本征（完全纯净的、结构完整的半导体晶体）或接近本征的半导体，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的区域p+、n+；如果本征半导体是弱N型的则为p+-v-n+型，如是弱P型的则为p+-n+型。在v或区一侧用扩散杂质或喷砂的办法制成的高复合区称r区，与r区相对的另一侧面保持光滑，为低（或无）复合面。,2023/9/21,图4.24 锗磁敏二极管结构及电路符号,2023/9/21,4.4.2 磁敏二极管的工作原理 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

45、i区压降，Up、Un分别为pi+、in+结的压降。若无外界磁场影响，在外电场的作用下，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，这就是人们所说的双注入长基区二极管，其注入i区的空穴和电子数基本是相等的。由于运动的空间“很大”，除少数载流子在体内复合掉之外，大多数分别到达n+和p+区，形成电流，总电流为I=Ip+In。,2023/9/21,磁敏二极管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所示。由于r区是高复合区，所以进入r区的电子和空穴很快被复合掉，因而i区的载流子密度减少，电阻增加，则Ui增加，在两个结上的电压Up、Un则相应减少。i区电阻进一步增

46、加，直到稳定在某一值上为止。,图4.25 磁敏二极管载流子受磁场影响情况,2023/9/21,相反，磁场改变方向，电子和空穴将向r区的对面低（无）复合区流动，则使载流子在i区的复合减小，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。同样过程进行正反馈，使注入载流子数增加，Ui减少，Up、Un增加，电流增大，直至达到某一稳定值为止。,2023/9/21,2.磁敏二极管的工作原理演示,利用磁敏二极管在磁场强度和方向的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。,2023/9/21,4.4.3 磁敏二极管的特性1.电流-电压特性 图4.26示出了Ge磁敏二极管的电流-电压特性

47、曲线。图中B=0的曲线表示二极管不加磁场时的情况，B取+或B取-表示磁场的方向不同。,图4.26 Ge磁敏二极管的伏安特性曲线,输出电压一定，磁场为正时，随着磁场强度增加，电流减小，表示磁阻增加，磁场为负时，随着磁场强度向负方向增加，电流增加，表示磁阻减小。,从图中可以看出：,同一磁场之下，电压越大，输出电流变化量也越大。,2023/9/21,Si磁敏二极管的电流-电压特性曲线如图4.27所示。值得注意的是，在图4.27（b）中出现了“负阻”现象，即电流急剧增加的同时，偏压突然跌落；其原因是高阻i区热平衡载流子少，注入i区的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

48、始增加，同时i区压降减少，表现为负阻特性。,图4.27 Si磁敏二极管的伏安特性曲线,2023/9/21,2.磁电特性在给定条件下，把磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场的关系叫做磁敏二极管的磁电特性。图4.28给出了磁敏二极管的磁电特性曲线。,常有单只使用和互补使用两种方式。,图4.28 磁敏二极管的磁电特性曲线,单个使用时，正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度。,互补使用时，正向特性与反向特性曲线基本对称。磁场强度增加时，曲线有饱和趋势；在弱磁场下，曲线有很好的线性。,2023/9/21,3.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U随温度变化的规律，如图4.29所示。从图中可以看出

49、，元件受温度影响较大。,图4.29 磁敏二极管（单个使用）的温度特性曲线,2023/9/21,反映温度特性的好环，可用U0和U温度系数来表示。其参数大小如表4.2所示。,表4.2 Ge、Si磁敏二极管的U0及U温度系数,2023/9/21,4.磁灵敏度磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法:（1）在恒流条件下，偏压随磁场变化，电压相对磁灵敏度SU为：式中：U0是磁场强度为零时，磁敏二极管两端的电压；UB是磁场强度为B时，磁敏二极管两端的电压。SU的测量电路如图4.30所示。,图4.30 电压相对磁灵敏度测量电路,2023/9/21,式中：I0是给定偏压下，磁场为零时，通过磁敏二极管的电流；IB是给

50、定偏压下，磁场为B时，通过磁敏二极管的电流。SI的测量电路如图4.31所示。,（2）在恒压条件下，偏流随磁场变化，电流相对磁灵敏度SI为：,图4.31 电流相对磁灵敏度测量电路,2023/9/21,式中：U0、I0是磁场为零时，磁敏二极管两端的电压和流过的电流；UB、IB是磁场为B时，磁敏二极管两端的电压和通过的电流。,（3）按照标准测试，在给定电源E和负载电阻R的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度被定义为：,图4.32 标准测试方法电路原理图,2023/9/21,4.4.4 磁敏二极管的补偿技术1.互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路如图4.33(a)所示。使用该电路时，应选用特性相