第4章 磁電傳感器

1、第4章 磁敏傳感器傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)第4章 磁敏傳感器第4章 磁敏傳感器4.14.14.24.2磁敏傳感器的物理基礎(chǔ) 霍爾元件 4.34.34.44.4 磁阻元件 磁敏二極管4.54.5 磁敏三極管4.64.6 磁敏傳感器的應(yīng)用第4章 磁敏傳感器 磁敏傳感器通常是指電參數(shù)按一定規(guī)律隨磁性量變化的傳感器。 磁敏傳感器主要是利用霍爾效應(yīng)原理及磁阻效應(yīng)原理構(gòu)成的。 構(gòu)成磁敏傳感器的敏感元件有霍爾元件、磁阻元件、磁敏晶體管、磁敏集成電路。第4章 磁敏傳感器磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象不同，它的特點(diǎn)之一是磁荷磁現(xiàn)象和電現(xiàn)象不同，它的特點(diǎn)之一是磁荷(Magnetic (Magnetic Charge)Charge)不

2、能單獨(dú)存在，必須是不能單獨(dú)存在，必須是N N、S S成對存在成對存在( (電荷則不電荷則不然，正電荷和負(fù)電荷可以單獨(dú)存在然，正電荷和負(fù)電荷可以單獨(dú)存在) )，并且在閉區(qū)間表面，并且在閉區(qū)間表面全部磁束全部磁束( (磁力線磁力線) )的進(jìn)出總和必等于零，即的進(jìn)出總和必等于零，即div B=0div B=0。4.14.1磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.14.1.1基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度、電場強(qiáng)度電場強(qiáng)度、力力三者的關(guān)系可由公式表示為三者的關(guān)系可由公式表示為F=e(E+vB)=eE+evB第4章 磁敏傳感器4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)電感電感L、電流、電流I與它們產(chǎn)生的磁束與它們產(chǎn)生

3、的磁束之間的關(guān)系可表示為之間的關(guān)系可表示為=LI4.1.14.1.1基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識當(dāng)磁束有變化時當(dāng)磁束有變化時, 在與其相交的電路中將產(chǎn)生的電動勢為在與其相交的電路中將產(chǎn)生的電動勢為第4章 磁敏傳感器在半導(dǎo)體薄片的兩端通以控制電流在半導(dǎo)體薄片的兩端通以控制電流I I，在薄片，在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B的磁場，則的磁場，則在薄片的另兩側(cè)會產(chǎn)生與在薄片的另兩側(cè)會產(chǎn)生與I I和和B B的乘積成比例的乘積成比例的電動勢的電動勢U UH H ( (霍爾電勢，也稱霍爾電壓霍爾電勢，也稱霍爾電壓) )。這。這種現(xiàn)象就稱為種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。4.14.1

4、磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.24.1.2霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)第4章 磁敏傳感器4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.24.1.2霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)圖圖4.14.1霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖第4章 磁敏傳感器4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.24.1.2霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)第4章 磁敏傳感器 將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，除了產(chǎn)生霍將一載流導(dǎo)體置于外磁場中，除了產(chǎn)生霍爾效應(yīng)外，其爾效應(yīng)外，其電阻也會隨磁場而變化電阻也會隨磁場而變化。這。這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡稱種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng)，簡稱磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)。 磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時發(fā)生的一種磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時發(fā)生的一種物理效應(yīng)。物理效

5、應(yīng)。4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.34.1.3磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)第4章 磁敏傳感器當(dāng)溫度恒定時，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)溫度恒定時，在弱磁場范圍內(nèi)，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的的平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單的情況，理平方成正比。對于只有電子參與導(dǎo)電的最簡單的情況，理論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為論推出磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為r rB=r r0(1+0.273 m m2B2)式中：式中：B磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度 m m 電子遷移率電子遷移率 r r0 零磁場下的電阻率零磁場下的電阻率 r rB 磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時的電阻率時的電阻率4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.34

6、.1.3磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)第4章 磁敏傳感器設(shè)電阻率的變化為設(shè)電阻率的變化為D Dr r=r rBr r0，則電阻率的相對變化為，則電阻率的相對變化為4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.34.1.3磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)由上式可見，磁場一定，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯由上式可見，磁場一定，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯InSb和和InAs等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，很適合制等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高，很適合制作各種磁敏電阻元件。作各種磁敏電阻元件。 第4章 磁敏傳感器4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.44.1.4形狀效應(yīng)形狀效應(yīng)由于磁敏元件的幾何尺寸變化而引起的磁阻大小由于磁敏元件的幾何

7、尺寸變化而引起的磁阻大小變化的現(xiàn)象，叫變化的現(xiàn)象，叫形狀效應(yīng)形狀效應(yīng)。在考慮到形狀的影響時，電阻率的相對變化與磁在考慮到形狀的影響時，電阻率的相對變化與磁感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可以近似用下式表示：感應(yīng)強(qiáng)度和遷移率的關(guān)系可以近似用下式表示：blfBk1)(20mrr第4章 磁敏傳感器人類對自然界的探索和認(rèn)識是無止境的，還有許許多多人類對自然界的探索和認(rèn)識是無止境的，還有許許多多新的現(xiàn)象、新的效應(yīng)有待我們?nèi)パ芯?、去發(fā)現(xiàn)。霍爾效新的現(xiàn)象、新的效應(yīng)有待我們?nèi)パ芯俊⑷グl(fā)現(xiàn)?；魻栃?yīng)是應(yīng)是1879年美國物理學(xué)家霍爾最初研究載流導(dǎo)體在磁場年美國物理學(xué)家霍爾最初研究載流導(dǎo)體在磁場中導(dǎo)電的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種電磁效

8、應(yīng)。中導(dǎo)電的性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)。101年以后，即年以后，即1980年，克里津從金屬年，克里津從金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)電晶體中氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)電晶體中發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。因發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)并開發(fā)出測發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)。因發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)并開發(fā)出測定物理常數(shù)的新技術(shù)，德國物理學(xué)家馮定物理常數(shù)的新技術(shù)，德國物理學(xué)家馮克里津獲得了克里津獲得了1985年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)4.1.44.1.4形狀效應(yīng)形狀效應(yīng)第4章 磁敏傳感器圖圖4.14.1霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)霍爾效應(yīng)的物理解說：霍爾效應(yīng)的物理解說：第4

9、章 磁敏傳感器4.14.1 磁敏傳感器的物理基礎(chǔ)霍爾效應(yīng)的物理解說：霍爾效應(yīng)的物理解說：第4章 磁敏傳感器本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)1掌握霍爾效應(yīng)。掌握霍爾效應(yīng)。2掌握磁阻效應(yīng)掌握磁阻效應(yīng)了解形狀效應(yīng)。了解形狀效應(yīng)。3第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件 霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)工作的?；魻栃?yīng)是由于霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)工作的。霍爾效應(yīng)是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用運(yùn)動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。的結(jié)果。 如圖如圖4.14.1所示，假設(shè)在所示，假設(shè)在N N型半導(dǎo)體薄片上通以電流型半導(dǎo)體薄片上通以電流I I，那么，半導(dǎo)體中的載流子那么，半導(dǎo)體中的載流子( (電子電子) )將沿著和電流相

10、反將沿著和電流相反的方向運(yùn)動。的方向運(yùn)動。4.2.14.2.1霍爾元件的工作原理霍爾元件的工作原理第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.14.2.1霍爾元件的工作原理霍爾元件的工作原理圖圖4.14.1霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖第4章 磁敏傳感器若在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上加以磁場若在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上加以磁場B B，則由，則由于洛倫茲力于洛倫茲力f fL L(f(fL L=evB=evB，其中，其中e e為電子電量，為電子電量，v v為電子速為電子速度，度，B B為磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度) )的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)的作用，電子向一邊偏轉(zhuǎn)( (圖中虛圖中虛線方向線方向)

11、 )，并使該邊形成電子積累，而另一邊則積累正，并使該邊形成電子積累，而另一邊則積累正電荷，于是產(chǎn)生電場。電荷，于是產(chǎn)生電場。該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏該電場阻止運(yùn)動電子的繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的力轉(zhuǎn)，當(dāng)電場作用在運(yùn)動電子上的力fE(fE=eUHl)與洛與洛倫茲力倫茲力fL相等時，電子的積累便達(dá)到動態(tài)平衡。這時，相等時，電子的積累便達(dá)到動態(tài)平衡。這時，在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場在薄片兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，相，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢UH。4.24.2 霍爾元件4.2.14.2.1霍爾元件的工作原理霍爾元件的工作原理第4章 磁敏傳感器

12、4.24.2 霍爾元件4.2.14.2.1霍爾元件的工作原理霍爾元件的工作原理第4章 磁敏傳感器其大小可用下式表示：其大小可用下式表示：令：令：4.24.2 霍爾元件4.2.14.2.1霍爾元件的工作原理霍爾元件的工作原理(V)HHdIBRURH為霍爾常數(shù)，為霍爾常數(shù)，KH為霍爾元件的靈敏度。為霍爾元件的靈敏度。第4章 磁敏傳感器于是：于是： 4.24.2 霍爾元件4.2.14.2.1霍爾元件的工作原理霍爾元件的工作原理霍爾電勢的大小正比于控制電流霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B?；魻栐撵`敏度霍爾元件的靈敏度KH是表征對應(yīng)于單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和是表征對應(yīng)于單位磁感應(yīng)強(qiáng)度

13、和單位控制電流的輸出霍爾電壓大小的一個重要參數(shù)，一單位控制電流的輸出霍爾電壓大小的一個重要參數(shù)，一般要求它越大越好。般要求它越大越好。KH與元件材料的性質(zhì)和幾何尺寸與元件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，元件越薄，靈敏度就越高。有關(guān)，元件越薄，靈敏度就越高。第4章 磁敏傳感器霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐苫魻柶⒁€和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體薄片，一般采用霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，一般采用N型的鍺、型的鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成，霍爾片一般銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成，霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。4.24.2

14、霍爾元件4.2.24.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.24.2.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)圖圖4.2霍爾元件示意圖霍爾元件示意圖在長邊的兩個端面上焊有兩根在長邊的兩個端面上焊有兩根控制電流端引線控制電流端引線(見圖中見圖中1、1)，在元件短邊的中間以點(diǎn)的形，在元件短邊的中間以點(diǎn)的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線線(見圖中見圖中2、2)。焊接處要求。焊接處要求接觸電阻小，且呈純電阻性質(zhì)接觸電阻小，且呈純電阻性質(zhì)(歐姆接觸歐姆接觸)?；魻柶话阌梅谴拧；魻柶话阌梅谴判越饘?、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。

15、第4章 磁敏傳感器在電路中，標(biāo)注時，國產(chǎn)器件常用在電路中，標(biāo)注時，國產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件，代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品序號。后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品序號。圖圖4.3霍爾元件的符號霍爾元件的符號4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路通常在電路中，霍爾元件可用如圖通常在電路中，霍爾元件可用如圖4.3所示的幾種符所示的幾種符號表示，其中圖號表示，其中圖(c)為日本規(guī)定的霍爾元件的符號，為日本規(guī)定的霍爾元件的符號，圖圖(d)為我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的霍爾元件的符號。為我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的霍爾元件的符號。第4章 磁敏傳感器圖圖4.4示出了霍爾元件的基

16、本電路。在磁場與控制示出了霍爾元件的基本電路。在磁場與控制電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。在實(shí)際使用時，在實(shí)際使用時，I、B或兩者同時作為信號輸入，而或兩者同時作為信號輸入，而輸出信號則正比于輸出信號則正比于I或或B，或正比于兩者的乘積。，或正比于兩者的乘積。4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路圖圖4.3霍爾元件的基本電路霍爾元件的基本電路第4章 磁敏傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下在實(shí)際應(yīng)用中，霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下工作，其特性不一樣

17、。工作，其特性不一樣。究竟應(yīng)用采用哪種方式，要根據(jù)用途來選擇。究竟應(yīng)用采用哪種方式，要根據(jù)用途來選擇。4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路圖圖4.5恒壓工作的霍爾傳感器電路恒壓工作的霍爾傳感器電路恒壓工作比恒恒壓工作比恒流工作的性能流工作的性能要差一些，只要差一些，只適用于對精度適用于對精度要求不太高的要求不太高的場合。場合。 第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路圖圖4.5恒壓工作的霍爾傳感器電路恒壓工作的霍爾傳感器電路第4章 磁敏傳感器在恒壓條件下性能不好

18、的主要原因是霍爾元件輸入電阻隨在恒壓條件下性能不好的主要原因是霍爾元件輸入電阻隨溫度變化和磁阻效應(yīng)的影響。輸入電阻的溫度系數(shù)因霍爾溫度變化和磁阻效應(yīng)的影響。輸入電阻的溫度系數(shù)因霍爾元件的材料型號而異。元件的材料型號而異。4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器為了充分發(fā)揮霍爾傳感為了充分發(fā)揮霍爾傳感器的性能，最好使用恒器的性能，最好使用恒流源供電，即恒流工作流源供電，即恒流工作，電路如圖，電路如圖4.6所示。在所示。在恒流工作時，沒有霍爾恒流工作時，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效元件輸入電阻和磁阻效應(yīng)的影響。應(yīng)的影響。4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3

19、基本電路基本電路圖圖4.6恒流恒流工作的霍爾傳感器電路工作的霍爾傳感器電路第4章 磁敏傳感器霍爾元件的輸出電壓一般為數(shù)毫伏到數(shù)百毫伏，需要用放霍爾元件的輸出電壓一般為數(shù)毫伏到數(shù)百毫伏，需要用放大電路放大其輸出電壓。大電路放大其輸出電壓。4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路圖圖4.7霍爾傳感器的測量電路霍爾傳感器的測量電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路圖圖4.7霍爾傳感器的測量電路霍爾傳感器的測量電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.

20、2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.34.2.3基本電路基本電路第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.44.2.4電磁特性電磁特性霍爾元件的電磁特性包括控制電流與輸出之間的關(guān)霍爾元件的電磁特性包括控制電流與輸出之間的關(guān)系，霍爾輸出與磁場之間的關(guān)系等。系

21、，霍爾輸出與磁場之間的關(guān)系等。固定磁場固定磁場B，在一定溫度下，霍爾輸出電勢，在一定溫度下，霍爾輸出電勢UH與控與控制電流制電流I之間呈線性關(guān)系之間呈線性關(guān)系(見圖見圖4.9)。直線的斜率稱。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，用為控制電流靈敏度，用KI表示。按照定義，控制電表示。按照定義，控制電流靈敏度流靈敏度KI為為恒定BHIIUK)(第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.44.2.4電磁特性電磁特性由由UH=KHIB，可得到，可得到 KI=KHB霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度KH越大，控制電流靈敏度也就越越大，控制電流靈敏度也就越大。但靈敏度大的元件，其霍爾輸出并不一定大。大。但靈

22、敏度大的元件，其霍爾輸出并不一定大。這是因?yàn)榛魻栯妱菰谶@是因?yàn)榛魻栯妱菰贐固定時，不但與固定時，不但與KH有關(guān)，還有關(guān)，還與控制電流有關(guān)。因此，即使靈敏度不大的元件，與控制電流有關(guān)。因此，即使靈敏度不大的元件，如果在較大的控制電流下工作，那么同樣可以得到如果在較大的控制電流下工作，那么同樣可以得到較大的霍爾輸出。較大的霍爾輸出。第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.44.2.4電磁特性電磁特性圖圖4.9霍爾元件的霍爾元件的UH-I特性曲線特性曲線第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.44.2.4電磁特性電磁特性固定控制電流，元件固定控制電流，元件的開路霍爾輸出隨磁的開路霍爾

23、輸出隨磁場的增加并不完全呈場的增加并不完全呈線性關(guān)系，而是有所線性關(guān)系，而是有所偏離。通常，霍爾元偏離。通常，霍爾元件工作在件工作在0.5 Wbm2以下時線性度較好以下時線性度較好圖圖4.9霍爾元件的霍爾元件的UH-B特性曲線特性曲線第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償在實(shí)際應(yīng)用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因在實(shí)際應(yīng)用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電熱中疊加著各種誤差電勢。素，即在霍爾電熱中疊加著各種誤差電勢。這些誤差產(chǎn)生的主要原因有兩類：一類是制造工藝這些誤差產(chǎn)生的主要原因有兩類：一類是制造工藝的缺陷；另一類是半

24、導(dǎo)體本身固有的特性。的缺陷；另一類是半導(dǎo)體本身固有的特性。第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 由于在制作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極由于在制作霍爾元件時，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上焊在同一等位面上, 因此，當(dāng)控制電流因此，當(dāng)控制電流I流過元件流過元件時，即使磁場強(qiáng)度時，即使磁場強(qiáng)度B等于零，在霍爾電極上仍有電等于零，在霍爾電極上仍有電勢存在，該電勢就稱為勢存在，該電勢就稱為不等位電勢不等位電勢。 在分析不等位電勢時，我們把霍爾元件等效為一在分析不等位電勢時，我們把霍爾元件等效為一個電橋。個電橋。第4章 磁敏傳感器4.2

25、4.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償圖圖4.124.12霍爾元件的等效電路霍爾元件的等效電路 第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 電橋臂的四個電阻分電橋臂的四個電阻分別為別為r1、r2、r3、r4。當(dāng)兩個霍爾電極在。當(dāng)兩個霍爾電極在同一等位面上時，同一等位面上時，r1=r2=r3=r4，電橋，電橋平衡，這時輸出電壓平衡，這時輸出電壓Uo等于零；當(dāng)霍爾電等于零；當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上極不在同一等位面上時時, 如圖如圖4.11所示，所示，圖圖4.114.11不等位電勢示意圖不等位電勢示意圖第4章

26、磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 由于由于r3增大，增大，r4減小，則電橋失去平衡，因此減小，則電橋失去平衡，因此,輸出輸出電壓電壓Uo就不等于零?；謴?fù)電橋平衡的辦法是減小就不等于零?；謴?fù)電橋平衡的辦法是減小r2、r3。 在制造過程中如確知霍爾電極偏離等位面的方向，在制造過程中如確知霍爾電極偏離等位面的方向，則應(yīng)采用機(jī)械修磨或化學(xué)腐蝕元件的方法來減小不則應(yīng)采用機(jī)械修磨或化學(xué)腐蝕元件的方法來減小不等位電勢。等位電勢。 對已制成的霍爾元件外接補(bǔ)償電路。對已制成的霍爾元件外接補(bǔ)償電路。第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5

27、誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會隨溫度的變化而發(fā)生變化，因此，霍爾元件的性能參隨溫度的變化而發(fā)生變化，因此，霍爾元件的性能參數(shù)數(shù)(如內(nèi)阻、霍爾電勢等如內(nèi)阻、霍爾電勢等)對溫度的變化也是很靈敏的對溫度的變化也是很靈敏的 為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件元件(如砷化銦如砷化銦)或采用恒溫措施外，用或采用恒溫措施外，用恒流源供電恒流源供電往往往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是往可以得到明顯的效果。恒流源供電的作用是減小元減小元件內(nèi)阻隨

28、溫度變化而引起的控制電流的變化件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 但采用恒流源供電還不能完全解決霍爾電勢的穩(wěn)定性但采用恒流源供電還不能完全解決霍爾電勢的穩(wěn)定性問題，還必須結(jié)合其他補(bǔ)償電路。問題，還必須結(jié)合其他補(bǔ)償電路。第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 利用元件內(nèi)阻溫度特性和一個補(bǔ)償電阻就能自動調(diào)節(jié)利用元件內(nèi)阻溫度特性和一個補(bǔ)償電阻就能自動調(diào)節(jié)流過霍爾元件的電流大小，從而起到補(bǔ)償作用。流過霍爾元件的電流大小，從而起到補(bǔ)償作用。第4章

29、 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件霍爾元件的特性參數(shù)：霍爾元件的特性參數(shù)：4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 霍爾元件兩控制電流端的直流電阻稱為輸入電霍爾元件兩控制電流端的直流電阻稱為輸入電阻阻R Ri i 。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號的。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入控制電流控制電流I I變大，最終引起霍爾電動勢變大。為了變大，最終引起霍爾電動勢變大。為了減小這種影響，最好采用恒流源作為激勵源。減小這種影響，最好采用恒流源作為激勵源。第4章 磁敏傳感器4.24.2

30、霍爾元件霍爾元件的特性參數(shù)：霍爾元件的特性參數(shù)：4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償 兩個霍爾電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻兩個霍爾電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻R R0 0，它的數(shù)值與輸入電阻為同一數(shù)量級。它也隨溫，它的數(shù)值與輸入電阻為同一數(shù)量級。它也隨溫度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻R RL L與之匹配，與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電動勢的漂移減至最小。可以使由溫度引起的霍爾電動勢的漂移減至最小。 第4章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件霍爾元件的特性參數(shù)：霍爾元件的特性參數(shù)：4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差

31、補(bǔ)償?shù)?章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件霍爾元件的特性參數(shù)：霍爾元件的特性參數(shù)：4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償?shù)?章 磁敏傳感器4.24.2 霍爾元件霍爾元件的特性參數(shù)：霍爾元件的特性參數(shù)：4.2.54.2.5誤差分析及誤差補(bǔ)償誤差分析及誤差補(bǔ)償?shù)?章 磁敏傳感器本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)1掌握霍爾元件的工作原理及掌握霍爾元件的工作原理及霍爾電勢?；魻栯妱?。2掌握霍爾元件的結(jié)構(gòu)、基本掌握霍爾元件的結(jié)構(gòu)、基本電路、供電方式及差分放大電路、供電方式及差分放大電路。電路。3掌握霍爾元件的誤差分析及掌握霍爾元件的誤差分析及誤差補(bǔ)償。誤差補(bǔ)償。第4章 磁敏傳感器4.34.3磁

32、阻元件 利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)，目前已研制利用半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)，目前已研制出對磁場敏感的元件出對磁場敏感的元件磁阻元件。磁阻元件。 這種磁阻元件像電阻元件一樣，有兩個端子，結(jié)這種磁阻元件像電阻元件一樣，有兩個端子，結(jié)構(gòu)簡單，連接方便。構(gòu)簡單，連接方便。第4章 磁敏傳感器4.34.3磁阻元件4.3.14.3.1長方形磁阻元件長方形磁阻元件 長方形磁阻元件其長度長方形磁阻元件其長度L L大于寬度大于寬度b b，在兩端制成，在兩端制成電極，構(gòu)成兩端器件。電極，構(gòu)成兩端器件。 長方形磁阻元件的工作原理是：在固體中由于雜長方形磁阻元件的工作原理是：在固體中由于雜質(zhì)原子和晶格振動，阻礙電

33、子運(yùn)動，這種阻礙的質(zhì)原子和晶格振動，阻礙電子運(yùn)動，這種阻礙的存在使電子運(yùn)動速度可減到零。存在使電子運(yùn)動速度可減到零。第4章 磁敏傳感器4.34.3磁阻元件4.3.14.3.1長方形磁阻元件長方形磁阻元件第4章 磁敏傳感器4.34.3磁阻元件4.3.24.3.2科爾賓元件科爾賓元件 科爾賓（科爾賓（Corbino）元件為圓盤形元件，在圓盤形）元件為圓盤形元件，在圓盤形元件的外圓周邊和中心處裝上電流電極，將具有這元件的外圓周邊和中心處裝上電流電極，將具有這種結(jié)構(gòu)的磁阻元件稱為科爾賓元件。種結(jié)構(gòu)的磁阻元件稱為科爾賓元件。圖圖4.17科爾賓元件的結(jié)構(gòu)科爾賓元件的結(jié)構(gòu)第4章 磁敏傳感器本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要

34、點(diǎn)總結(jié)1掌握長方形磁阻元件的結(jié)掌握長方形磁阻元件的結(jié)構(gòu)及其工作原理。構(gòu)及其工作原理。2掌握科爾賓元件結(jié)構(gòu)及其工掌握科爾賓元件結(jié)構(gòu)及其工作原理。作原理。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管 磁敏二極管是電特性隨外部磁場改變而顯著變化的磁敏二極管是電特性隨外部磁場改變而顯著變化的器件。是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件。器件。是一種新型半導(dǎo)體磁敏元件。 更確切的說，磁敏二極管是一種電阻隨磁場的大小更確切的說，磁敏二極管是一種電阻隨磁場的大小和方向均改變的結(jié)型二端器件。和方向均改變的結(jié)型二端器件。第4章 磁敏傳感器 與普通二極管區(qū)別：與普通二極管區(qū)別： 普通二極管普通二極管PNPN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流

35、子在基區(qū)里結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二極管的復(fù)合，磁敏二極管的PNPN結(jié)卻有很長的基區(qū)（結(jié)卻有很長的基區(qū)（i i區(qū)），區(qū)），大于載流子的擴(kuò)散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體大于載流子的擴(kuò)散長度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。的高阻材料構(gòu)成的。 在在i i區(qū)的一個側(cè)面上打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（區(qū)的一個側(cè)面上打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r r區(qū)），區(qū)），而與而與r r區(qū)相對的另一側(cè)面保持為光滑無復(fù)合表面。區(qū)相對的另一側(cè)面保持為光滑無復(fù)合表面。4.44.4磁敏二極管4.4.14.4.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.14.4.1磁敏

36、二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的。磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的。 磁敏二極管屬于長基區(qū)二極管，是磁敏二極管屬于長基區(qū)二極管，是p+-i-n+型。圖中型。圖中，i為本征為本征(完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體)或或接近本征的半導(dǎo)體，接近本征的半導(dǎo)體，其長為其長為L，它比載流子擴(kuò)散長度，它比載流子擴(kuò)散長度大數(shù)倍，其兩端分別為高摻雜的區(qū)域大數(shù)倍，其兩端分別為高摻雜的區(qū)域p+、n+。如果如果本征半導(dǎo)體是弱本征半導(dǎo)體是弱N型的，則為型的，則為p+-v-n+型；如是弱型；如是弱P型型的，則為的，則為p+-n+型。型。第4章 磁敏

37、傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.14.4.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 在在v或或p p區(qū)一側(cè)用擴(kuò)散雜質(zhì)或噴砂的辦法制成的高復(fù)合區(qū)一側(cè)用擴(kuò)散雜質(zhì)或噴砂的辦法制成的高復(fù)合區(qū)稱為區(qū)稱為r區(qū)，與區(qū)，與r區(qū)相對的另一側(cè)面保持光滑，為低區(qū)相對的另一側(cè)面保持光滑，為低(或無或無)復(fù)合面。復(fù)合面。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.14.4.1磁敏二極管的結(jié)構(gòu)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)圖圖4.24鍺磁敏二極管的結(jié)構(gòu)及電路符號鍺磁敏二極管的結(jié)構(gòu)及電路符號第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 對于普通二極管，在加上正向偏置電壓對于普通二

38、極管，在加上正向偏置電壓U+時，時，U+=Ui+ Up+Un。式中，。式中，Ui為為i區(qū)壓降，區(qū)壓降，Up、Un分別分別為為pi+、in+結(jié)的壓降。結(jié)的壓降。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 若無外界磁場影響，則在外電場的作用下，大部分空若無外界磁場影響，則在外電場的作用下，大部分空穴由穴由p+區(qū)向區(qū)向i區(qū)注入，而電子則由區(qū)注入，而電子則由n+區(qū)向區(qū)向i區(qū)注入，這區(qū)注入，這就是人們所說的雙注入長基區(qū)二極管，其注入就是人們所說的雙注入長基區(qū)二極管，其注入i區(qū)的區(qū)的空穴和電子數(shù)基本相等。由于運(yùn)動的空間空穴和電子數(shù)基本相等。由于運(yùn)動

39、的空間“很大很大”，因此除少數(shù)載流子在體內(nèi)復(fù)合掉之外，大多數(shù)分別到因此除少數(shù)載流子在體內(nèi)復(fù)合掉之外，大多數(shù)分別到達(dá)達(dá)n+和和p+區(qū)，形成電流，總電流為區(qū)，形成電流，總電流為I=Ip+In。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 對于磁敏二極管，情況就不同了。當(dāng)受到正向磁場作對于磁敏二極管，情況就不同了。當(dāng)受到正向磁場作用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，如圖區(qū)偏轉(zhuǎn)，如圖4.25所示。所示。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理 對于磁

40、敏二極管，情況就不同了。當(dāng)受到正向磁場作對于磁敏二極管，情況就不同了。當(dāng)受到正向磁場作用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向用時，電子和空穴受洛倫茲力作用向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，如圖區(qū)偏轉(zhuǎn)，如圖4.25所示。所示。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理圖圖4.25磁敏二極管載流子受磁場影響的情況磁敏二極管載流子受磁場影響的情況第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理設(shè)無外加磁場設(shè)無外加磁場:很少空穴和電子復(fù)合很少空穴和電子復(fù)合,有穩(wěn)定電流。有穩(wěn)定電流。 外加正磁場外加正磁場 ,載流子都受到洛

41、侖茲力載流子都受到洛侖茲力 運(yùn)動偏向運(yùn)動偏向r區(qū)區(qū),電電流減小。流減小。外加反向磁場外加反向磁場,仍受洛侖茲力仍受洛侖茲力,在在I區(qū)載流子數(shù)量增多區(qū)載流子數(shù)量增多,電流增大。電流增大。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.24.4.2磁敏二極管的工作原理磁敏二極管的工作原理載流子的偏移與洛侖茲力有關(guān)載流子的偏移與洛侖茲力有關(guān),洛侖茲力與電場和磁場洛侖茲力與電場和磁場的乘積成正比。隨著磁場大小方向的變化，可以產(chǎn)生輸?shù)某朔e成正比。隨著磁場大小方向的變化，可以產(chǎn)生輸出正負(fù)電壓的變化。出正負(fù)電壓的變化。結(jié)論：第4章 磁敏傳感器4.4.34.4.3磁敏二極管的特性磁敏二極管的特性4.44.4磁

42、敏二極管第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.44.4.4磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù) 由于磁敏二極管具有隨溫度變化其特性參數(shù)變化較由于磁敏二極管具有隨溫度變化其特性參數(shù)變化較大的特點(diǎn)，因此給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的誤差。為大的特點(diǎn)，因此給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的誤差。為了提高測試精度，必須進(jìn)行補(bǔ)償處理。了提高測試精度，必須進(jìn)行補(bǔ)償處理。 常用的補(bǔ)償電路有以下四種：互補(bǔ)式、差分式、全常用的補(bǔ)償電路有以下四種：互補(bǔ)式、差分式、全橋式、熱敏電阻式。橋式、熱敏電阻式。第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.44.4.4磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)使用該電路時，應(yīng)選用

43、特性使用該電路時，應(yīng)選用特性相近的兩只管子，按相反磁相近的兩只管子，按相反磁極性組合，即管子磁敏感面極性組合，即管子磁敏感面相對或相背重疊放置，或選相對或相背重疊放置，或選用磁敏對管，將兩只管子串用磁敏對管，將兩只管子串接在電路上。接在電路上。圖圖4.33熱敏電阻式溫度補(bǔ)償電路熱敏電阻式溫度補(bǔ)償電路第4章 磁敏傳感器4.44.4磁敏二極管4.4.44.4.4磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)磁敏二極管的補(bǔ)償技術(shù)熱敏電阻式溫度補(bǔ)熱敏電阻式溫度補(bǔ)償電路如圖償電路如圖4.33(b)所示。所示。圖圖4.33熱敏電阻式溫度補(bǔ)償電路熱敏電阻式溫度補(bǔ)償電路第4章 磁敏傳感器本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)本節(jié)要點(diǎn)總結(jié)1掌握磁敏二極管的結(jié)構(gòu)。

44、掌握磁敏二極管的結(jié)構(gòu)。2掌握磁敏二極管的工作原理。掌握磁敏二極管的工作原理。第4章 磁敏傳感器 磁敏三極管是在磁敏二極管的基礎(chǔ)上研制出來磁敏三極管是在磁敏二極管的基礎(chǔ)上研制出來的。的。 磁敏三極管有磁敏三極管有NPNNPN型和型和PNPPNP型結(jié)構(gòu)，按照所選用型結(jié)構(gòu)，按照所選用半導(dǎo)體材料又可分為半導(dǎo)體材料又可分為GeGe磁敏三極管和磁敏三極管和SiSi磁敏三磁敏三極管。極管。4.54.5 磁敏三極管第4章 磁敏傳感器4.5.14.5.1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)磁敏三極管的結(jié)構(gòu) Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)及電路符號如圖磁敏三極管的結(jié)構(gòu)及電路符號如圖4.34所示，所示，它是在弱它是在弱P型準(zhǔn)本征半導(dǎo)體上用合金法

45、或擴(kuò)散法形型準(zhǔn)本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成三個極，有發(fā)射極成三個極，有發(fā)射極e、基極、基極b、集電極、集電極c，相當(dāng)，相當(dāng)于在磁敏二極管長基區(qū)的一個側(cè)面制成一個高復(fù)于在磁敏二極管長基區(qū)的一個側(cè)面制成一個高復(fù)合區(qū)合區(qū)r。4.54.5 磁敏三極管第4章 磁敏傳感器4.54.5 磁敏三極管4.5.14.5.1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖圖4.34NPN型型Ge磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號磁敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路符號第4章 磁敏傳感器4.54.5 磁敏三極管4.5.14.5.1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)磁敏三極管的結(jié)構(gòu) Si磁敏三極管是用平面工藝制造的，其結(jié)構(gòu)如圖磁敏三極管是用平面工藝制造的，其結(jié)構(gòu)如圖4

46、.35所示。它一般采用所示。它一般采用N型材料，通過二次硼擴(kuò)型材料，通過二次硼擴(kuò)散工藝，分別形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，然后擴(kuò)磷形散工藝，分別形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，然后擴(kuò)磷形成基區(qū)而制成成基區(qū)而制成PNP型磁敏三極管。由于工藝上的型磁敏三極管。由于工藝上的原因，很少制造原因，很少制造NPN型磁敏三極管。型磁敏三極管。第4章 磁敏傳感器4.54.5 磁敏三極管4.5.14.5.1磁敏三極管的結(jié)構(gòu)磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖圖4.35Si磁敏三極管的結(jié)構(gòu)磁敏三極管的結(jié)構(gòu)第4章 磁敏傳感器如圖如圖4.36(a)所示，當(dāng)不所示，當(dāng)不受磁場作用時，由于磁敏受磁場作用時，由于磁敏三極管的三極管的基區(qū)長度大于載基區(qū)長度大于載流子的有效擴(kuò)散長度流子的有效擴(kuò)散長度，因，因此發(fā)射區(qū)注入的此發(fā)射區(qū)注入的載流子載流子除除少部分輸入到集電極少部分輸入到集電極c外外，大部分通過大部分通過e-i-b，形成，形成4.54.5 磁敏三極管4.5.24.5.2磁敏三極管的工作