第12章 磁传感器 12.1 霍尔传感器 12.2 磁敏二极管和磁敏三极管 12.3磁通门磁力计 12.4 磁敏电阻传感器 12.5 其它类型的磁传感器本章主要介绍绍霍尔传传感器、磁敏二极管及磁敏三极管、磁阻传传感器、磁电电感应应式传传感器、磁通门门、韦韦根德传传感器和Z-元件。12.1 霍尔传感器在磁场场力作用下，在金属或通电电半导导体中将产产生霍尔效应应，其输输出电压电压 与磁场场强度成正比。基于霍尔效应应的霍尔传传感器常可以用于测测量多种物理量。12.1.1 霍尔传感器的原理1霍尔效应应图为图为 霍尔效应应原理图图。在与磁场场垂直的半导导体薄片上通 以电电流I，假设载设载 流子为电为电 子（N型半导导体材料），它沿与 电电流I相反的方向运动动，由于洛仑兹仑兹 力fL的作用，电电子将向 一侧侧偏转转（如图图中虚线线方向），并使该侧该侧 形成电电子的积积累 ，而另一侧侧形成正电电荷积积累，于是元件的横向便形成了电电 场场。该电场该电场 阻止电电子继续继续 向侧侧面偏移，当电电子所受到的电电 场场力fE与洛仑兹仑兹 力fL相等时时，电电子的积积累达到动态动态 平衡。 这时这时 在两横端面之间间建立的电场电场 称为为霍尔电场电场 EH，相应应的 电势电势 称为为霍尔电势电势 UH。洛伦兹力方向的判断左手定则伸开左手，使大拇指和其余四指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线 垂直穿入手心，四指指向正电荷运动的方向， 那么，拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹 力的方向。设电设电 子以相同的速度u按图图示方向运动动，在磁感应应强度B 的磁场场作用下，则则每个电电子受到的洛仑兹仑兹 力可用式表示 式中：e电子电荷； v电子运动平均速度； B磁场的磁感应强度。 fL的方向在图中是向内的，当电子的运动达到动态平衡时，形成的霍尔电场EH为 式中, UH为电位差,b为薄片的宽度。 此时时，霍尔电场电场 作用于电电子的电场电场 力fE可表示为为fE方向与fL相反，当达到动态动态 平衡时时，二力代数和为为零， 于是得若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则电流密度为nev,相应的控制电流I=nevbd，即 所以若霍尔元件采用P型半导导体材料，则则可推导导出式中p为单位体积内空穴数2霍尔系数和灵敏度设设kH=1/ne，上式可写成式中 kH霍尔系数，其大小反映出霍尔效应应的强弱。由电电阻率公式式中 r 材料的电电阻率；m 载载流子的迁移率，即单单位电场电场 作用下载载流子的 运动动速度。 从上式可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数kH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。一般电子的迁移率大于空穴迁移率,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。若设设则则有KH称为为霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单单位磁感 应应强度和单单位控制电电流作用下霍尔电势电势 的大小，其单单位是 （mV/mAT）。式子说说明：（1）为为了获获得高灵敏度，在实际应实际应 用中,一般都采用N型 半导导体材料做霍尔元件。（2）元件的厚度d愈小，灵敏度愈高，因而制做霍尔片时时 可采取减小d 的方法来增加灵敏度。但是不能认为认为 d愈小愈 好，因为这为这 会导导致元件的输输入和输输出电电阻增加，锗锗元件更 是不希望如此。 由 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。需要指出的是,在上述公式中,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时,作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcos）,这时,UH=KHIBcos。 12.1.2 霍尔元件的特性1霍尔元件材料及结结构用于制造霍尔元件的材料一般采用N型锗锗（Ge）、锑锑化铟铟（InSb）、砷化铟铟（InAs）等半导导体材料制成。锑锑化铟铟元件的霍尔输输出电势较电势较 大，但受温度影响也大；锗锗元件的温度性能和线线性性能比较较好，但它的输输出较较小。因此，采用砷化铟铟材料做霍尔元件受到普遍的重视视。 2）霍尔元件的结构霍尔元件按照结构可以分为体型和薄膜型两种，如图所示 ，是由霍尔片、四根引线和壳体组成的。 体型霍尔片是一块矩 形半导体单晶薄片， 引出四根引线： a、 b两根引线加控制电 压或电流，称控制电极（激励电极）； c、 d引线为霍尔输出 引线， 称霍尔电极。 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷 或环氧树脂封装的。为了克服a,b电极的短路中和作用，加工为 图（b）结构。另外因为元件的厚度越小，灵敏系数越大，所以 制备成薄膜型器件，如图（c）所示。图4-3 霍尔元件的符号 通常,在电路中,霍尔元件可用下图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表12-1。表12-1 常用霍尔元件的特性参数2霍尔元件的特性参数1）乘积积灵敏度由 可知， 是指I为单为单 位电电流，B为为单单位磁感应应强度、霍尔电电极为为开路（ ）时时的霍尔电势电势 。2）额额定控制电电流霍尔器件将因通电电流而发热发热 。使在空气中的霍尔器件产产生允许许温升T的控制电电流称为额为额 定控制电电流 。当时时，器件温升将大于允许许的温升，器件特性将变变坏。3）磁灵敏度当控制电电流为为 时时，单单位磁感应应强度产产生的开路霍尔电势为电势为 磁灵敏度 。4）输输入电电阻 和输输出电电阻为为霍尔器件两个电电流电电极之间间的电电阻， 为为两个霍 尔电电极之间间的电电阻。5）不等位电势电势 和不等位电电阻霍尔器件在额额定控制电电流下，无外加磁场时场时 ，两个 霍尔之间间的开路电势电势 差称为为不等位电势电势 。不等位电电阻定义为义为 ，即为为两个霍尔电电极 之间间沿控制电电流的方向的电电阻。 愈小愈好。6）寄生直流电势电势当不加外加磁场时场时 ，器件通以交流控制电电流，这时这时 器 件输输出端除出现现交流不等位电势电势 以外，如果还还有直流电电 势势，则则将此直流电势电势 称为为寄生直流电势电势 。 7）磁非线线性度NL由 可知，在一定控制电电流下，与 B成线线性的关 系式具有近似性，再加上结结构设计设计 和工艺艺制备备方面的原 因，实际实际 上对线对线 性有一定程度的偏离。磁非线线性度定义义 为为和 分别为别为 在一定磁场场作用下，霍尔电势电势 的测测 量值值和按公式 的计计算值值。一般NL为为 数量级级。 NL越小越好。8）霍尔电势电势 温度系数在一定磁感应应强度和控制电电流下，温度每变变化 时时，霍尔电势电势 的相对变对变 化率称为为霍尔电势电势 温度系数 ， 越小越好。9）内阻温度系数器件内阻 和 随温度而有所变变化，其变变化率即内 阻温度系数约为约为 数量级级。 越小越好。10）工作温度范围围锑锑化铟铟的正常工作温度范围为围为 锗为锗为，硅为为 ,砷化镓为镓为 。3霍尔电压电压 的基本特性 从 便可看出霍尔电压电压 的特性为为：（1）在一定的工作电电流IH下，霍尔电压电压 UH与外磁场场磁感 应应强度B成正比。这这就是霍尔效应检测应检测 磁场场的原理。固定控制电流,元件的开路 霍尔输出随磁场关系如图所示, 通常,霍尔元件工作在0.5Wbm2 以下时线性度较好 。（2）在一定的外磁场场中，霍尔电压电压 UH与通过过霍尔片的电电 流强度IH（工作电电流）成正比。这这就霍尔效应检测电应检测电 流的原理。当B0.3T时,在一定温 度下,霍尔输出电势UH与控 制电流I之间关系如图所示 。直线的斜率称为控制 电流灵敏度,用KI表示。由上式可知,霍尔元件的灵敏度KH越大 ,控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大 的元件,其霍尔输出并不一定大。这是因 为霍尔电势在B固定时,不但与KH有关,还 与控制电流有关。因此,即使灵敏度不大 的元件,如果在较大的控制电流下工作, 那么同样可以得到较大的霍尔输出。12.1.3 测测量电电路一、霍尔元件的测测量电电路霍尔元件的基本测测量电电路如图图所示。控制电电流 由电电源E供给给，R为调为调 整电电阻，以保证证元件中得到 所需要的控制电电流。霍尔输输出端接负载负载RL可以是 一般电电阻，也可以是放大器输输入电电阻或表头头内阻 等。由 可知，当I为为直流、B为为直 流磁场时场时 ， 为为直流信号；当I为为直流，B为为交 变变磁场时场时 ，或者I为为交流，B为为直流磁场时场时 ， 为为交流信号。建立霍尔效应所需的时间很短（约10-1210-14s）,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。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、1 kGs(1Gs=10-4T)时,输出电压为2155mV,偏移电压为7%（最大）（1.47 3.85 mV）。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）。 恒压工作的控制电流为 Ri为霍尔元件的输入电阻。 对GaAs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),加上若恒压工作时恒压源自身变化 -0.06%,其温度特性就显得很不好。对于InSb霍 尔元件而言,若恒压工作时恒压源自身的温度系数为-2% （最大）,与电阻变化的+2%相互抵消,则元 件的温度系数反而变小。2. 恒流工作 为了充分发挥霍尔传感器的性能,最好使用恒流源 供电,即恒流工作,电路如图所示。在恒流工作下,没有 霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。 恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差些。 特别是InSb霍尔元件,由于输入电阻的温度系数大,偏移 电压的影响更为显著。对电路 图中的THS103A GaAs霍尔元件, 在5mA工作电流、1kGs（1Gs=10-4T）下,输出电压50120mA， 此时的偏移电压为10%（5 12 mV）。3. 差分放大 霍尔元件的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏,需要 用放大电路放大其输出电压。下图所示为放大电路的一个 例子。霍尔元件是四端器件,为了去除同相电压,需要使用 差分放大器。在图（a）中,使用一个 运算放大器时,霍尔元件 的输出电阻大于运算放 大器的输入电阻,这样就 会产生误差。图 (b)中 使用三个运算放大器,则 没有这个问题。 图中霍尔传感器的输出电压既可以是交流也可以是直流 。二、误误差分析及其补偿补偿 方法1、元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响式中，fH为元件的形状系数2、霍尔元件的零位误差霍尔元件的零位误差包括不等位电势、寄生直流电势 、感应零电势和自激磁场零电势等。 1）霍尔元件