【正文】 第七章 磁電傳感器 第一節(jié) 霍爾傳感器 一、霍爾效應(yīng) 二、霍爾元件的基本特性 三、測(cè)量電路 四、誤差及其補(bǔ)償 五、集成霍爾傳感器 六、霍爾傳感器的應(yīng)用 第二節(jié) 磁敏電阻 一、磁阻效應(yīng) 二、磁敏電阻的基本特性 三、磁敏電阻的應(yīng)用 第三節(jié) 磁敏二極管和磁敏三極管 一、磁敏二極管 二、磁敏三極管 三、磁敏管的應(yīng)用 第七章 磁電傳感器 磁電傳感器可分為兩大類，一類是基于鐵芯線圈電磁感應(yīng)原理的磁電感應(yīng)式傳感器，一類是基于半導(dǎo)體材料磁敏效應(yīng)的磁敏傳感器。本章將介紹目前常見的幾種半導(dǎo)體材料磁敏效應(yīng)器件及其傳感器，即霍爾元件、磁敏電阻、磁敏二極管及磁敏三極管。 第一節(jié) 霍爾傳感器 霍爾是美國的一位物理學(xué)家，他在 1879年首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用，后來人們發(fā)現(xiàn)某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)十分顯著，因而制成相應(yīng)的霍爾元件，廣泛用于電磁測(cè)量、計(jì)數(shù)器、轉(zhuǎn)速計(jì)、位移及無觸點(diǎn)開關(guān)等。 一、霍爾效應(yīng) 如圖 7－ 1所示 ， 在 (金屬 ） 半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場(chǎng) B， 在薄片兩短邊 b方向通入控制電流 I， 則在薄片兩長邊 L方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) ， 這種現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng) ， 該電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電壓 UH ， 該半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件 。 圖 7－ 1 霍爾效應(yīng)原理圖 圖 7－ 1中， v 表示半導(dǎo)體中電子在控制電流 I作用下的運(yùn)動(dòng)方向和速度， FL 表示電子受到磁場(chǎng)的洛倫茲力 ，其大小為 q v BF L ? 式中 q 為電子的電荷量， FL 方向符合左手掌定則 ,運(yùn)動(dòng)電子在洛倫茲力 FL 的作用下，電子以拋物線形式向一側(cè)運(yùn)動(dòng)，致使在霍爾元件的兩長邊積累起等量的正、負(fù)電荷，形成霍爾電場(chǎng)，該電場(chǎng)對(duì)隨后的電子施加一電場(chǎng)力FE FE 表示該霍爾電場(chǎng)的電場(chǎng)力；當(dāng)霍爾電場(chǎng)力 FE 與洛倫茲力 FL 相等時(shí)，電荷積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 FE=qEH=Uh / b I=nqvbd (71) b / UF hE qqv BF L ?????式中 RH — 霍爾常數(shù)（ m3/c） — 霍爾元件形狀系數(shù) d — 霍爾元件厚度（ m） L — 霍爾元件長度（ m） b — 霍爾元件寬度（ m） I — 控制電流（ A） B — 磁感應(yīng)強(qiáng)度（特斯拉 T，即 Wb/m2） （ 7－ 2） ???????bLI B fdRUHHH 霍爾電壓 UH 的大小為 ??????bLfH 可見，當(dāng)霍爾元件的半導(dǎo)體材料性能及幾何尺寸確定后，霍爾元件的 輸出電壓 UH 正比于控制電流 I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 。 令 ，稱之為霍爾元件靈敏度， 則（ 7－ 2）改寫為 ??????? bLfdRK HHHIBKU HH ? （ 7－ 3） 二、霍爾元件的基本特性 霍爾元件是由具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體薄片、電極引線及殼體組成，其電路符號(hào)如圖 7－ 2所示。圖中兩短邊引線通入控制電流，兩長邊引線輸出霍爾電壓；霍爾元件的殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 圖 7－ 2 霍爾元件電路符號(hào) 由式（ 7－ 2）可知，要使霍爾元件有較高的靈敏度，必須要求霍爾元件材料有較大的霍爾常數(shù)?；魻柍?shù) RH 等于材料的電阻率與電子遷移率的乘積，金屬材料電子遷移率大，但電阻率很?。唤^絕材料電阻率極高，但載流子遷移率極低； 只有半導(dǎo)體材料適于作霍爾元件，其電阻率和載流子的遷移率都比較大 。目前常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、銻化銦和砷化銦等，這些材料不但有較大的霍爾常數(shù)，而且有較好的線性度。 ? 常用半導(dǎo)體材料的特性 由這些半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件在應(yīng)用時(shí)都具有如下幾個(gè)基本特性。 1． UH— I 特性 當(dāng) KH 和 B 為定值時(shí) ， 在一定的溫度下 ， 霍爾電壓 UH 與控制電流 I 有較好的線性關(guān)系 ， 此時(shí) I 對(duì) UH 有較高的靈敏度 。 利用這一特性 ， 霍爾元件 可直接用于測(cè)量電流或激勵(lì)源電壓 ， 也可以用于測(cè)量能轉(zhuǎn)換為電流的其他物理量 。 2． UH— B 特性 當(dāng) KH 和 I 為定值時(shí) ， 霍爾電壓 UH 與磁場(chǎng) B 具有單值關(guān)系 ， 在磁不飽和時(shí) （ 一般 B小于 ） UB 與 B 具有線性關(guān)系 。 利用這一特性 ， 霍爾元件 可用于測(cè)量交 、 直流磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度 ；若 B 為一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng) ， 則霍爾電壓 UB 取決于霍爾元件在磁場(chǎng)中的位置 ， 從而實(shí)現(xiàn)微位移及可轉(zhuǎn)換為微位移的壓力 、 加速度 、 振動(dòng)等非電量的測(cè)量 。 3． UH— IB 特性 利用 UH 與 IB 的乘積關(guān)系，霍爾元件可作成乘法器，當(dāng)控制電流 I 和磁場(chǎng) B 為同一電源激勵(lì)時(shí)， 可利用霍爾元件進(jìn)行電源輸出功率的測(cè)量 。 4． 開關(guān)特性 霍爾元件霍爾效應(yīng)的建立時(shí)間極短（ 10－ 12～ 10－ 14 S），適宜于作高頻信號(hào)的檢測(cè)或無觸點(diǎn)開關(guān)，利用這一特性，霍爾元件 可用于制作計(jì)數(shù)器或轉(zhuǎn)速計(jì) 。 5． 集成特性 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無活動(dòng)部件，便于與測(cè)量電路一起作成 集成霍爾傳感器 。 三、測(cè)量電路 霍爾元件基本測(cè)量電路如圖 7－ 4所示 。 霍爾電壓 UH 一般為毫伏數(shù)量級(jí) ， 因而實(shí)際應(yīng)用時(shí)霍爾效應(yīng)輸出電壓 UH 要接差動(dòng)放大器；根據(jù)霍爾元件工作條件不同 ， 霍爾電壓可以是線性量或開關(guān)量 ， 因而其測(cè)量電路可能是線性型或開關(guān)型 。 （ a）線性型 （ b）開關(guān)型 圖 7－ 4 霍爾元件測(cè)量電路