第4章磁敏传感器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。4.1磁敏传感器的物理基础——霍尔、磁阻、形状效应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。06三月2025图7-1霍尔效应4.1.2磁阻效应式中：B——磁感应强度；μ——电子迁移率；ρ0——零磁场下的电阻率；ρB——磁感应强度为B时的电阻率。则电阻率的相对变化为：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：4.2霍尔元件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=eUH／b)与洛伦兹力fL相等时，电子的积累便达到动态平衡。(伏·米2／(安·韦伯)，即V·m2／(A·Wb))KH称为霍尔元件的灵敏度。于是：UH=KHIB(4.3)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）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。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θ时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcosθ）时:图4.2霍尔元件示意图06三月2025霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，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，其焊接处称为霍尔电极。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4.4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。建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12～10-14s），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。图4.5恒压工作的霍尔传感器电路当使用SHS210霍尔元件时，工作在1V、1kGs(1Gs=10-4T)时，输出电压为21～55mV，偏移电压为±7%（最大）（1.47～3.85mV）。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）。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