1、感测技术讲义- 81 -第 8 章 磁敏传感器磁敏传感器（Magnet Sensitive Sensor）：基于磁电转换原理，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的传感器。分类： 1体型霍尔传感器、磁敏电阻2结型磁敏晶体管（磁敏二极管、磁敏三极管） 8.1 霍尔（Hall）传感器霍尔传感器利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。工作原理：基于载流子在磁场中受洛伦兹力的作用而发生偏转的机理。8.1.1 霍尔效应（ Hall Effect）定义：将一块半导体薄片（霍尔元件）置于磁感应强度为 B 的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流 I，且磁场方向与电流方向正交，则在
2、半导体另外两边将产生一个大小与 I 和 B 的乘积成正比的电势，这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势(Hall potential)。工作原理：设霍尔元件为 N 型半导体（载流子为电子）感测技术讲义- 82 -洛仑兹力： （方向符合右手螺旋定律） evBFL电场力： bUEHe电子电量 达到动态平衡时， ELF即: bvBUevBH设: )(bdntQIn为单位体积内自由电子数（载流子浓度）霍尔电势： （N 型半导体材料）eIH（P 型半导体材料）pdBUP单位体积中的空穴数（载流子浓度）8.1.2 霍尔系数和灵敏度1. 霍尔系数：（或 ）, neRH1peRH1dBIRUH霍尔系数由半导
3、体材料的性质决定，反映了霍尔效应（电势）的强弱。 2. 霍尔元件的灵敏度：, dRKHBIKUH结论：（1） UH的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B。当 I 或 B 的方向改变时， UH的方向也将改变，但当 I 和 B 的方向同时改变时，U H并不改变原来的方向。（2） 由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适易制作霍尔元件。一般采用 N 型半导体材料制作霍尔元件（R H较大） 。（3） 霍尔元件的厚度越小，其灵敏度越高。感测技术讲义- 83 -8.1.3 霍尔元件的主要技术参数1.额定功耗 P02.输入电阻 Ri 和输出电阻 R03.不平衡电势 U04.霍尔电
4、势温度系数 5.内阻温度系数 6.灵敏度 KH8.1.4 霍尔元件连接方式和输出电路1. 基本测量电路RL放大器的输入电阻或测量仪表的内阻电位器 W 调节控制电流 I 的大小BIKUH2. 连接方式感测技术讲义- 84 -3. 霍尔电势的输出电路霍尔元件是一种四端器件，U H在毫伏量级， 在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件分为线性测量和开关状态两种使用方式。8.1.5 霍尔元件的测量误差和补偿办法造成测量误差的主要因素：（1） 半导体固有特性（2） 制造霍尔元件的工艺缺陷1. 零位误差及补偿方法（1） 零位误差霍尔元件在加控制电流，不加外磁场时，它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，测得的霍
5、尔电势（不等位电势）称为零位误差。感测技术讲义- 85 -（2） 补偿方法采用电桥平衡原理补偿，减小或消除不等位电势，即零位误差。如果两个霍尔电势极 A、B 处在同一等电位面上，R 1= R2， R3= R4，则电桥处于平衡状态，不等位电势 U0=0。如果两个霍尔电势极 A、B 不处在同一等电位面上，则电桥不平衡，不等位电势 。0U2. 温度误差及其补偿（P202）由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化，从而产生温度误差。（1） 利用输出回路的并联电阻进行补偿（2） 利用输入回路的串联电阻进行补偿不等位电势补偿电路
6、原理图 感测技术讲义- 86 -8.2 磁敏电阻器(Magnet Sensitive Resistor)磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。应用：磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计、磁敏交流放大器8.2.1 磁阻效应磁阻效应：当一载流导体置于磁场中，其电阻阻值会随磁场而变化，这种现象称为磁阻效应。磁阻效应方程： 2073.1BB零磁场下的电阻率0磁感应强度为 B 时的电阻率B电子迁移率20073.BB结论：磁场 B 一定时，迁移率越高的半导体材料，其磁阻效应越明显。感测技术讲义- 87 -8.3 磁敏二极管（Magnet Sensitive Diode）和磁敏三极管（Magnet Sensi
7、tive Triode） 霍尔元件和磁敏电阻均是用 N 型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是 PN 结型的磁电转换元件。应用：适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。8.3.1 磁敏二极管的结构和工作原理1. 结构2. 工作原理当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，则有大量的空穴从 P 区通过 I 区进入 N 区，同时也有大量的电子从 N 区通过 I 区进入P 区，形成电流。只有少量电子和空穴在 I 区复合掉。当磁敏二极管受到外界磁场 H+（正向磁场）作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向 r 区偏转，由于 r 区的电子和空穴复合速度快，因而电流减小。当磁敏二极管受到外
8、界磁场 H-（反向磁场）作用时，电子和空穴受到洛仑兹力的作用向 I 区偏转，由于 I 区的电子和空穴复合率明显变小，因而电流增大。感测技术讲义- 88 -3. 磁敏二极管的主要特性（P206）（1） 磁电特性磁敏二极管输出电压变化与外加磁场的关系。（2） 伏安特性磁敏二极管正向偏压和通过其上电流的关系。8.3.2 磁敏三极管的结构和工作原理1. 磁敏三极管的结构和工作原理当受到正向磁场（H +）作用时，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降。当受到反向磁场（H -）作用时，洛仑兹力使载流子偏向集电极一侧，导致集电极电流增大。2. 磁敏三极管的主要特性（1） 磁电特性（2） 伏安特性（3） 温度特性及其补偿I C（mA） B (kGs)不受磁场作用 受磁场作用 感测技术讲义- 89 -8.4 磁敏式传感器应用举例1霍尔位移传感器2汽车霍尔点火器3磁敏二极管漏磁探伤仪4磁敏三极管电位器5锑化铟（InSb）磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用
