1、掌握霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)及磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾傳感器、磁敏電阻器、磁敏二極管和磁敏三極管的工作原理。2、熟悉霍爾器件主要參數(shù)、電磁特性、類型、測(cè)量電路與連接方式。3、了解各種磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。

本章要求：第七章：磁電式傳感器一、磁電式傳感器——根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，通過磁電作用將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置。

二、種類：

1、根據(jù)制作磁電式傳感器的材料分類：有導(dǎo)體、半導(dǎo)體、磁性體和超導(dǎo)體磁電式傳感器；

2、利用導(dǎo)體和磁場的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電磁感應(yīng)原理可制成各種類型磁電式傳感器和磁記錄裝置；

3、利用強(qiáng)磁性體的各向異性磁阻效應(yīng)，可制成強(qiáng)磁性金屬磁敏器件；

4、利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)可制成霍爾器件；

5、利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)可制成磁敏電阻、磁敏二極管和磁敏三極管。7.1磁電感應(yīng)式傳感器一、工作原理：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場中切割磁力線運(yùn)動(dòng)或穿過線圈的磁通量變化時(shí)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為：①、進(jìn)入線圈的磁通φ越大，dφ也越大；②、如果相對(duì)速度越快，即v或ω越大，則αt越小，越大；③、與線圈匝數(shù)N成正比，N越大，e也越大。根據(jù)實(shí)現(xiàn)磁通φ變化的方法不同，磁電感應(yīng)式傳感器有恒磁通的動(dòng)圈式與動(dòng)鐵式，有變磁通（變磁阻）的開磁路式和閉磁路式。磁電感應(yīng)式傳感器的直接應(yīng)用是用來測(cè)線速度或角速度：e=-NBLve=-NBSω式中：B—磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）L—每匝線圈平均長度（m），

S—線圈的截面積（m2）磁電感應(yīng)式傳感器是結(jié)構(gòu)型傳感器，只要結(jié)構(gòu)參數(shù)N、B、L、S為定值，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與速度v和角速度ω成正比。二、磁電感應(yīng)式傳感器的結(jié)構(gòu)與要求：1、結(jié)構(gòu)：磁路系統(tǒng)，線圈；如圖7—1所示。2、基本要求：（1）工作氣隙工作氣隙大，線圈窗口面積就大，線圈匝數(shù)就多，傳感器的靈敏度就高。但氣隙大，磁路系統(tǒng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度就低，傳感器靈敏度也越低，而且氣隙大易造成氣隙磁場分布不均勻，導(dǎo)致傳感器輸出特性非線性。為了使傳感器具有較高的靈敏度和較好的線性度，必須保證足夠大的窗口面積所需加工安裝精度的前提下，盡量減小工作氣隙d。工作氣隙寬度也與傳感器的靈敏度、線性度有關(guān)。越大，靈敏度越高，線性度越好，但傳感器體積和重量就較大，因此，一般取。（2）磁路系統(tǒng)：選用永久磁鐵，減小傳感器體積。永久磁鐵有以下幾個(gè)參數(shù)：矯頑磁力Hc，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，最大磁能積（BH）m，磁化曲線B=f（H），磁能積曲線（BH）=f（B），常用材料為鋁鎳鈷永磁合金，其Hc和Br都較大，穩(wěn)定性高，使用最廣泛；（3）線圈組件：由線圈和骨架組成。骨架由金屬材料制成，起到與磁場發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電磁阻尼作用。但非線性誤差增加，可改用非金屬（有機(jī)玻璃）骨架。有時(shí)為減小尺寸，也可不用線圈骨架；（4）為補(bǔ)償溫度誤差及線圈感應(yīng)電流的磁場效應(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使工作線圈的感應(yīng)電流足夠小。7.2、霍爾傳感器一、霍爾（Hall）效應(yīng)：置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體薄片，當(dāng)有電流通過時(shí)，在垂直于電流方向和磁場方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃?yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感裝置。二、工作原理：如圖7—2示，將一塊N型半導(dǎo)體材料置于磁場B中，當(dāng)它通過電流l時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電荷（電子）受到磁場中洛侖茲力FL的作用，其大小為FL=-q0VB式中V—電子速度，q0—電電荷，B—垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在FL作用下，電子向垂直于B與U方向偏移，即電子向某一方向積聚，結(jié)果使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負(fù)電荷集聚，另一端面產(chǎn)生正電荷集聚。由于電荷集聚，便產(chǎn)生靜電場，即霍爾電場。此電場產(chǎn)生一個(gè)與FL向反的力FH，阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為：達(dá)到動(dòng)平衡時(shí)，磁場力與電場力相等，則FL=FH

即或UH=bvB

或UH=bvB又電流密度J=-nq0v式中n—為電子濃度，則流過霍爾元件的電流為：即

則

式中

為霍爾系數(shù)，

為

霍爾器件的靈敏系數(shù)。若霍爾元件為P型半導(dǎo)體，則

式中P—空穴濃度。二、霍爾器件根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的磁電轉(zhuǎn)換元件叫做霍爾元件。1、工作原理：如圖7—2所示。將一塊長為L、寬為b、厚度為a的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，如果在它的相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B之積成正比的霍爾電壓UH，且UH為：UH=KHIB式中

由于金屬材料的自由電子濃度n很高，其霍爾系數(shù)RH很小，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很小。所以金屬材料不宜作霍爾元件。其正負(fù)號(hào)由載流子類型決定。電子導(dǎo)電時(shí)，RH負(fù)值；空穴導(dǎo)電時(shí)，RH為正值。r是與溫度、能帶結(jié)構(gòu)等有關(guān)的因數(shù)。若運(yùn)動(dòng)載流子呈費(fèi)米爾分布，則r=1，若呈波爾茨分布，則

。RH單位為q0=1.602×10-19，C為電子的電荷量，RH還與載流子遷移率μ和電阻率ρ有關(guān):

半導(dǎo)體材料中的載流子具有很高的遷移率和電阻率，且一般電子遷移率大于空穴遷移率，故多選用N型半導(dǎo)體材料作霍爾器件。2、霍爾器件的主要參數(shù)①輸入電阻或稱輸入內(nèi)阻Ri。指控制電流極端間的電阻，單位為Ω；②輸出電阻或稱輸出內(nèi)阻R0。指無負(fù)載時(shí)霍爾電壓輸出電極端間的電阻，單位為Ω；③額定控制電流。在室溫條件下，能使霍爾器件產(chǎn)生100C溫升的電流值；④額定功耗?；魻柶骷诃h(huán)境溫度時(shí)，允許加在其兩端的電壓與控制電流的乘積；⑤不平衡電壓U0

。在額定控制電流之下，不加磁場時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電壓，又稱寄生直流電勢(shì)，單位為⑥不平衡電阻r0

。不平衡電壓U0與額定控制電流之比，單位為Ω；⑦霍爾靈敏系數(shù)KH。單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，單位為U/（A、T）；⑧磁靈敏系數(shù)KB

。額定控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，單位為V/T；⑨霍爾電壓穩(wěn)定系數(shù)βH。在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化10C時(shí)，霍爾電壓變化的百分率；⑩內(nèi)阻溫度系數(shù)β。在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，霍爾器件的濕度每變化10C時(shí)，輸入電阻RI和輸出電阻R0變化的百分率（），一般取不同溫度的平均值。3、霍爾器件的材料選擇：常用材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。銻化銦霍爾器件：靈敏度最高。但受溫度影響較大；鍺霍爾器件：靈敏度最低，但其溫度特性及線性度較好；砷化鎵霍爾器件：霍爾系數(shù)RH大，電子遷移率高，禁帶寬度大，且溫度穩(wěn)定性好，霍爾電壓穩(wěn)定系數(shù)βH可達(dá)0.005%/0CN（Si）的工作溫度范圍較寬，一般為-100------+1700C，N（Ge）易加工制造，綜合性能較好。4、霍爾系數(shù)RH與電子遷移率μ的關(guān)系：

式中：σ—霍爾器件電導(dǎo)率；單位：1/Ω.cmρ—霍爾器件電阻率；單位：Ω.cmμ—電子遷移率，即單位場強(qiáng)電子平均速度；單位：cm/V.sq0—電子電荷量；顯然，霍爾系數(shù)RH與電子遷移率μ成正比，且與電阻率ρ有關(guān)。因?yàn)镮nAs和InSb的ρ值太低，則RH值較小。5、霍爾器件的電磁特性霍爾器件的電磁特性包含UH—IC特性和UH—B特性。（1）、UH—IC特性：在恒定磁場和環(huán)境下，霍爾直線的斜率稱為控制電流靈敏度。由圖（6—2）知：

而UH=KHICB所以

因此，霍爾系數(shù)KH大的元件，其控制電流靈敏度KI也大。（2）、UH—B特性：在控制電流IC和環(huán)境溫度恒定下，霍爾器件開路輸出電壓與磁場強(qiáng)度B之間關(guān)系不完全呈線性關(guān)系。由圖（6—3）知：當(dāng)B<0.5Wb/m2時(shí)，曲線呈線性關(guān)系；當(dāng)B>0.5Wb/m2時(shí)線性度差；其原因是磁場增加，使霍爾輸出下降。另外還知：銻化銦的線性度很差，硅的線性度最好，鍺次之。6、霍爾器件類型

分立型：（1）、單晶霍爾器件—鍺(Ge)、硅（Si）、砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）（2）、簿膜霍爾器件—銻化銦（InSb）簿膜集成型：（1）、線性霍爾集成傳感器（2）、開關(guān)霍爾集成傳感器。7、霍爾器件的連接方式和輸出電路

（1）、基本電路：如圖7—5所示?？刂齐娏鱅的大小，由電位器RW調(diào)節(jié)。輸出端接負(fù)載電阻RL（放大器或測(cè)量儀表內(nèi)阻）。其輸出電壓UH，分別正比于IB或I或B（2）、連接方式：有兩種：如圖7—6所示。①直流供電—控制電流端并聯(lián)，其輸出電壓為單片的兩倍；②交流供電—控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器T的初級(jí)線圈；變壓器次級(jí)線圈兩端便有霍爾電壓疊加值輸出。8、誤差分析及補(bǔ)償方法

零位誤差——霍爾元件在不加控制電流或不加外磁場卓越而出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位誤差。A、不等位電勢(shì)U0。A、B電極不處在同一等位面上使霍爾電極所產(chǎn)生的電勢(shì)。采用電橋法進(jìn)行補(bǔ)償。B、寄生直流電勢(shì)。在無磁場下，元件通以交流控制電流，輸出端除產(chǎn)生交流不等位電勢(shì)外，還有一個(gè)直流電勢(shì)分量，這便是寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生原因：一是控制電流極及電勢(shì)極的歐姆接觸不佳造成整流效應(yīng)；二是由于霍爾電極的焊點(diǎn)大小不一，其熱容量不一致產(chǎn)生溫差。C、感應(yīng)零電勢(shì)Uio。沒有控制電流時(shí)，在交流或脈動(dòng)磁場作用下產(chǎn)生的電勢(shì)。消除方法有自身補(bǔ)償法和外加補(bǔ)償法。D、自激零電勢(shì)。霍爾元件控制電流產(chǎn)生的磁場稱為自激磁場。如果元件左右兩半磁場相等，則自激零電勢(shì)會(huì)互相抵消。（2）、溫度誤差。補(bǔ)償方法：一是在輸出回路并聯(lián)電阻，二是在輸入回路串聯(lián)電阻。7.3、磁敏電阻器一、磁阻效應(yīng)—當(dāng)通有電流的半導(dǎo)體或磁性金屬簿片置于與電流垂直的外磁場中，使其電阻值增大的物理現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。產(chǎn)生磁阻效應(yīng)的原因是：由于磁場的作用力使載流子運(yùn)動(dòng)路徑彎曲，即外加電場的電流分量減小，從而使其電阻值增大?；魻栐?nèi)阻隨磁場強(qiáng)度增加而增加的磁阻效應(yīng)使霍爾電壓輸出降低。只有一種載流子的半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)可以忽略；具有兩種載流子的半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)很強(qiáng)，適合作磁阻元件。二、磁敏電阻器—簡稱MR元件。當(dāng)溫度恒定時(shí)，半導(dǎo)體磁敏電阻在弱磁場中的電阻率與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有如下關(guān)系：式中：—零磁場下的電阻率，μn—電子遷移率，ρ—半導(dǎo)體中的空穴載流子數(shù)量，—空穴遷移率，N—半導(dǎo)體中電子載流子數(shù)量，B—磁場強(qiáng)度。當(dāng)電阻率變化為：時(shí)，則電阻率的相對(duì)變化為：由此可見，磁場一定，遷移率越高的半導(dǎo)體材料（InSb，InAS）磁阻效應(yīng)越明顯。1、磁敏電阻分類：按材料分類：分為半導(dǎo)體磁敏電阻和金屬簿膜型磁敏電阻兩大類。半導(dǎo)體磁敏電阻特點(diǎn)：原始信號(hào)強(qiáng)，靈敏度高，后序處理電路簡單，適用于強(qiáng)永磁體。金屬簿膜型磁敏電阻特點(diǎn)：對(duì)弱磁場很敏感，溫度系數(shù)比半導(dǎo)體低一個(gè)數(shù)量級(jí)，成本低，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)和集成化處理。它是將坡莫合金沉積在襯底上形成薄膜，徑光刻制成芯片而成。2、磁敏電阻的結(jié)構(gòu)：如圖7—13示。（A）、短路電極（光柵狀）；（B）、在結(jié)晶過程中有方向性地析出金屬；（C）、圓盤結(jié)構(gòu)；（D）、符號(hào)。3、磁敏電阻工作原理：沒有外磁場時(shí)，磁阻元件的電流密度矢量均勻。當(dāng)外加磁場垂直作用在磁阻元件的表面時(shí)，電流密度矢量偏移電場方向θ角，這樣就使電流所流通的路徑變長，從而使元件兩端金屬電極間的電阻就增加了。如圖7—15所示。4、磁敏電阻的基本特性：①、B—R特性：以為縱標(biāo)，B為橫標(biāo)的關(guān)系曲線；②、靈敏度K。

R3—為B=0.3T時(shí)的RB值，一般K≥2.75、磁敏電阻特點(diǎn)：①、阻抗低；②、阻值隨磁場變化率大，③、非接觸測(cè)量；④、頻率響應(yīng)好；⑤、動(dòng)態(tài)范圍廣；⑥、噪聲?。ǜ蓴_?。?。廣泛用于無觸點(diǎn)開關(guān)、旋轉(zhuǎn)偏碼器、角度、轉(zhuǎn)速傳感器等。7.4、磁敏二極管和磁敏三極管一、磁敏二極管

1、結(jié)構(gòu)

如圖7—17示。在高純度Ge兩端用合金法做成高摻雜P型區(qū)和N型區(qū)。在P—N之間有一個(gè)較長的高純度本征區(qū)。其一面磨成光滑的復(fù)合表面I區(qū)，另一面用擴(kuò)散、研磨、或擴(kuò)散雜質(zhì)等方法制成高復(fù)合區(qū)r。載流子在粗糙的r區(qū)復(fù)合速率較大。

2、工作原理：

如圖7—18示

在正向電壓（P+區(qū)接高電位，N+接低電位）作用下，P+區(qū)向I注入空穴，N+區(qū)向I區(qū)注入電子。①、在無磁場作用時(shí)，大部分空穴從P+區(qū)通過I區(qū)進(jìn)入N+區(qū)。同時(shí)大部分電子通過I區(qū)進(jìn)入P+區(qū)形成電流。只有少量的電子和空穴在I區(qū)或r區(qū)復(fù)合掉。此時(shí)I區(qū)的電阻值是固定的，器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。見圖7—18（A）。

②、給磁敏二極管外加一個(gè)正向磁場（B射向紙內(nèi)）B+

，空穴和電子在洛侖茲力的作用下，向r區(qū)偏轉(zhuǎn)。

由于空穴和電子在r區(qū)的復(fù)合速率較大，因此復(fù)合掉的載流子比沒受磁場作用時(shí)要多得多，從而使I區(qū)的載流子數(shù)目減少，電阻增大，電壓增加，P+N+結(jié)壓降減小，導(dǎo)致注入到I區(qū)的載流子數(shù)減小，（洛侖茲力—運(yùn)動(dòng)著的帶電質(zhì)點(diǎn)在磁場中所受的力。）結(jié)果使I區(qū)的電阻和壓降繼續(xù)增大，產(chǎn)生正反饋，直到平衡為止。見圖7—18（B）③、給磁敏二極管加一個(gè)反向磁場，（射向紙外）B—，在洛侖茲力作用下，載流子偏離復(fù)合區(qū)r，使電子空穴復(fù)合率明顯減小，則磁敏二極管的正向電流增大，電阻值減小。見圖7—18（C）。3、主要特性（1）磁電特性U0=f（B）

（2）伏安特性U0=f（I）（3）溫度特性U0=f（t）2、工作原理：（A）、無磁場作用時(shí)，由于基區(qū)長度大于載流子有效擴(kuò)散長度，從發(fā)射區(qū)注入到I區(qū)的（載流子）電子在橫向電場Ube的作用下，其大部分在I區(qū)與空穴復(fù)合形成基流，輸入到C極的載流子少，因此基極電流大于集電極電流。

B=0I區(qū)n→Ube→在I區(qū)與P復(fù)合→C區(qū)載流子少。見圖7—20（A）

在高阻半導(dǎo)體鍺或硅材料I上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極，基極和集電極?；鶚O很長，類似磁敏二極管，也有高復(fù)合率的r區(qū)和本區(qū)I，發(fā)射區(qū)、集電區(qū)設(shè)置在其上下表面。如圖7—19所示。

1、結(jié)構(gòu)

二、磁敏三極管高阻區(qū)又使發(fā)射體上電壓減小，從而使注入到I區(qū)的電子數(shù)大大減小，導(dǎo)致集電極電流進(jìn)一步減小。B=載流子→r偏→C區(qū)n更少→Ib↑→IC↓同時(shí)b區(qū)n經(jīng)過r→與p復(fù)合→I區(qū)載流子濃度↓↓→成為高阻區(qū)→Ube↓→I區(qū)n↓→IC↓↓見圖7—20（B）。

（B）、受到正向磁場B+作用時(shí)洛侖茲力使載流向復(fù)合區(qū)r方向偏轉(zhuǎn)。結(jié)果使注入集電區(qū)的電子比無磁場作用時(shí)還要少，故使基極電流增加，集電極電流減小，同時(shí)，流入基區(qū)的電子經(jīng)過復(fù)合區(qū)r時(shí)大量地與空穴合，使I區(qū)載流子濃度大大減小而成為高阻區(qū)。

可見磁敏三極管在正反磁場作用下，會(huì)引起集電極電流明顯變化。這樣就可以用磁場方向控制集電極電流的增加或減小，用磁場的強(qiáng)度控制集電極電流的變化。3、主要特性（1）磁電特性ΔIr=f（B）（2）伏安特性Ir=f（Uce）磁敏三極管的伏安特性類似普通晶體管的伏安特性曲線。（3）溫度特性。B=

→載流子向C偏→IC↑見圖7—20（C）。

（C）、受到反向磁場B-的作用時(shí)，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。

可以用于下述三個(gè)方面；（1）當(dāng)控制電流不變時(shí)，使傳感器處于非均勻磁場中，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此，對(duì)能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的量都能進(jìn)行測(cè)量，例如可以對(duì)磁場、位移、角度、轉(zhuǎn)速、加速度等量進(jìn)行測(cè)量。（2）磁場不變時(shí)，傳感器輸出值正比于控制電流值，因此，凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的各種量，均能進(jìn)行測(cè)量。（3）傳感器輸出值正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流的乘積。因此，它可以用于乘法、功率方面的計(jì)算與測(cè)量。7.5磁電式傳感器的應(yīng)用一、霍爾傳感器的應(yīng)用1、霍爾壓力、壓差傳感器霍爾壓力、壓差傳感器，一般由兩部分組成。一部分為彈性元件，用它來感受壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換成位移量；另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)。通常把霍爾元件固定在彈性元件上，這樣當(dāng)彈性元件產(chǎn)生位移時(shí)，將帶動(dòng)霍爾元件在均勻磁場中移動(dòng)，從而產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，完成將壓力（或壓差）變換為電量的任務(wù)。圖7—24為霍爾壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。2、霍爾位移傳感器：在磁性相反，磁場強(qiáng)度相同的氣隙間放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)控制電流I不變時(shí)，霍爾電壓UH與外加磁場強(qiáng)度成正比。若磁場在一定范圍內(nèi)沿X方向的變梯度為一常數(shù)時(shí)，

式中：K—為位移傳感器的輸出靈敏度。對(duì)上式積分得：UH=KX說明霍爾電壓UH與位移成線性關(guān)系，且其輸出電壓極性反映元件位移方向。磁場梯度越大，靈