最新半导体传感器精品课件.ppt

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1、半导体传感器半导体传感器 1霍尔效应霍尔效应 长为长为L、宽为、宽为b、厚为、厚为d的的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流电流 I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流 I 和磁感应强度和磁感应强度 B 乘积成正比的电势乘积成正比的电势UH，且，且UHKHIB，其中，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。一现

2、象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。IHUI 2工作原理工作原理 霍尔效应是导体中霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。设霍尔元用而产生的。设霍尔元件为件为N型半导体，当它通型半导体，当它通以电流以电流 I 时，半导体中时，半导体中的电子受到磁场中洛仑的电子受到磁场中洛仑兹力兹力FL的作用，其大小的作用，其大小为为式中式中为电子速度，为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在 FL 的作的作用下，电子向垂直于用下，电子向垂直于 B 和和的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另的方向偏移，在器件的某

3、一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。一端面则为正电荷积聚。BeFL 四、霍尔元件的测量误差和补偿方法四、霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；另一类成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；另一类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。 1零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现零位误差是霍尔元件在加控制电流而不加

4、外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。不平衡电势的霍尔电势称为零位误差。不平衡电势U0是主要的零位误差。因是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图如下图(a)所示。当控制电流所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，流过时，即使末加外磁场，A、B两两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）势）U0。 下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥

5、臂上并联电阻，如下图值较大的桥臂上并联电阻，如下图(a)所示，或在两个桥臂上同时并所示，或在两个桥臂上同时并联如下图联如下图(b)、(c)所示的电阻。所示的电阻。 2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度

6、变化导致内阻件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻输入、输出电阻)的变的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。 (1)利用输出回路并联电阻进行补偿利用输出回路并联电阻进行补偿 在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而增大，在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而增大，霍尔电势增加；若在输出端并联一个补偿电阻霍尔电势增加；若在输出端并联一个补偿电阻RL，则通过霍尔元件输出，则通过霍尔元件输出电阻输出电阻（内阻）电阻输出电阻（内阻）R0的电流增大，内阻压降亦增大增大，输出电压的电流增大，内阻压降亦增大

7、增大，输出电压将会减小。只要适当选据补偿电阻将会减小。只要适当选据补偿电阻RL，就可达到补偿的目的。，就可达到补偿的目的。 在温度影响下，元件的输出电在温度影响下，元件的输出电阻从阻从Rt0变到变到Rt，输出电阻，输出电阻Rt和电势和电势UHt应为应为 RtRt0 (1+t) ； UHtUHt0 (1+t)式中式中、为霍尔元件的输出电势为霍尔元件的输出电势UHt和输出电阻和输出电阻Rt的温度系数。此的温度系数。此时时RL上的电压则为上的电压则为LtLHtLtRtRtRUU )1()1(00 补偿电阻补偿电阻RL上电压随温度变化最小的条件为上电压随温度变化最小的条件为 00tLLtRRdtdU

8、因此当知道霍尔元件的因此当知道霍尔元件的、及及Rt0时，便可以计算出能实现温度补偿时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻的电阻RL的值。的值。 因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。因该指出，这种补偿方法，不能完全消除温度误差。 (2)利用输入回路的串联电阻进行补偿利用输入回路的串联电阻进行补偿 霍尔元件的控制回路用稳压电源霍尔元件的控制回路用稳压电源E供电，其输出端处于开路工作状态，供电，其输出端处于开路工作状态，当输入回路串联适当的电阻当输入回路串联适当的电阻R时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。 当温度增加时，当温度增加时，霍尔电势的增加霍尔电势

9、的增加值为值为 UH = UHt0t；另；另一方面，元件的一方面，元件的输入电阻随温度输入电阻随温度的增加值为的增加值为 Ri = Rit0t。用稳压源。用稳压源供电时，控制电供电时，控制电流和输出电势的流和输出电势的减小量为减小量为)1(000tRRtRIIititt )1()1(000tRRttRUUititHH 全补偿条件：全补偿条件： HHUU )1()(0tRRit 在霍尔元件的在霍尔元件的、为已知的条件下，即可求得为已知的条件下，即可求得R与与Rt0的关系。但是，的关系。但是，R仍然是温度仍然是温度t的函数。实际的补偿电路如上图的函数。实际的补偿电路如上图 (c)所示。调节电位器所

10、示。调节电位器W1可可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联热敏电阻并联热敏电阻Rt。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使补偿电桥的输出电压偿电桥的输出电压UH相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压UH与与温度基本无关。温度基本无关。3.1.2 磁敏电阻器磁敏电阻器 磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻的应用范围比较磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪

11、、位移和角度检测器、安培计以及磁敏广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。交流放大器等。一、磁阻效应一、磁阻效应 当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。磁阻效应。当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成正比。如果器的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为件只有在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻效应方程为 式中式中 B 磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率；时的电

12、阻率； 0 零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率； 电子迁移率；电子迁移率； B 磁感应强度。磁感应强度。当电阻率变化为当电阻率变化为B -0时，则电阻率的相对变化为：时，则电阻率的相对变化为： /0 = 0.2732B2 = K2B2。由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如由此可知，磁场一定时迁移率越高的材料（如InSb、InAs和和NiSb等半导等半导体材料），其磁阻效应越明显。体材料），其磁阻效应越明显。)273. 01(220BB 二、磁敏电阻的结构二、磁敏电阻的结构 磁敏电阻通常使用两种磁敏电阻通常使用两种方法来制作：一种是在较方法来制作：一种是在较长的元件片上用真空镀膜长的元件片上

13、用真空镀膜方法制成，如右图方法制成，如右图(a)所所示的许多短路电极示的许多短路电极(光栅光栅状状)的元件；另一种是在的元件；另一种是在结晶制作过程中有方向性结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图地析出金属而制成磁敏电阻，如上图(b)所示。除此之外，还有圆盘形，所示。除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。若考虑其形磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁

14、移率的关系可表达为状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为式中：式中：L、b分别为电阻的长和宽；分别为电阻的长和宽； 为形状效应系数。为形状效应系数。在恒定磁感应强度下，其长度在恒定磁感应强度下，其长度L与宽度与宽度b比越小，则比越小，则/0越大。越大。 bLfBK1)(20 bLf 各种形状的磁敏电阻，其磁阻与各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图磁感应强度的关系如右图所示。由图可见，圆盘形样品的磁阻最大。可见，圆盘形样品的磁阻最大。 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用的，且受温度影响较大；因此，

15、使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。方案。3.1.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 霍尔元件和磁敏电阻均是用霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤敏度高、工作电流小和体积小等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。等方面的检测和控

16、制。 一、磁敏二根管的结构和工作原理一、磁敏二根管的结构和工作原理 1结构结构 磁敏二极管的磁敏二极管的P型和型和N型电极由高阻材料制成，在型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较之间有一个较长的本征区长的本征区I，本征区，本征区I的一面磨成光滑的复合表面的一面磨成光滑的复合表面(为为I区区)，另一回打毛，另一回打毛，设置成高复合区设置成高复合区(为为r区区)，其目的是因为电子，其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通过正向电流后就会在复合而消失。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是可知，磁敏二极管是PI

17、N型的。型的。 当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加如下图当磁敏二极管末受到外界磁场作用时，外加如下图(a)所示的正偏压，所示的正偏压，则有大量的空穴从则有大量的空穴从r区通过区通过I区进入区进入N区，同时也有大量电子注入区，同时也有大量电子注入P区而形区而形成电流。只有少量电子和空穴在成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。当磁敏二极管受到如下图区复合掉。当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场所示的外界磁场H+(正向磁场正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向作用而向r区偏转，由于区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面区的电子和空穴

18、复合速度比光滑面I区快，因区快，因此，形成的电流因复合速度加快而减小。磁场强度越强，电子和空穴受此，形成的电流因复合速度加快而减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电就越多，载流子减少，外电路的电流越小。路的电流越小。 当磁敏二极管受到如右图当磁敏二极管受到如右图(b)所示的外界磁场片所示的外界磁场片H- (反反向磁场向磁场)作用时，则电子和空作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力作用而向穴受到洛仑兹力作用而向I区区偏移，由于电子、空穴复合偏移，由于电子、空穴复合

19、率明显变小，则外电路的电率明显变小，则外电路的电流变大。流变大。 利用磁敏二极管的正向导利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电变化的特性，即可实现磁电转换。转换。 3磁敏二极管的主要特性磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性磁电待性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。敏二极管的磁电持性。 磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。出图可知，单只使用时，正

20、向磁灵敏度大于反向；互补使用时，所示。出图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。 (2)伏安特性伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度如图所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特下的作用，其伏安特性将是不一样。图性将是不一样。图 (a)为锗磁敏二极管的伏安特性；为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏二极管的为硅磁敏二极

21、管的伏安特性。图伏安特性。图 (b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。其动态电阻比较小。1 3 (3)温度特性温度特性 一般情况下，磁敏二极管受湿度影响较一般情况下，磁敏二极管受湿度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量出电压变化量U，或者在无磁场作用时，或者在无磁场作用时，中点电压中点电压Um随温度变化较大。因此，在实随温度变化较大。因

22、此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。际使用时，必须对其进行温度补偿。 互补式温度补偿电路互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背2R22RR 1R11RR IUkGs1 kGs1 1U 2U向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电向放置串接在电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度

23、。如此，互补电路还能提高磁灵敏度。 差分式电路差分式电路 如下图如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和和R2。 全桥电路全桥电路 全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁

24、敏二极管，会给实际使用带来一些困倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。难。 热敏电阻补偿电路热敏电阻补偿电路 如下图如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使所示。该电路是利用热敏电阻随温度的变化，而使Rt和和D的的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。 二、磁敏三极管的结构和工作原理二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构磁敏三极管的结构 在弱在弱P

25、型或弱型或弱N型本征半导体上用合金型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本区和本征征I区。长基区分为输运基区和复合基区。区。长基区分为输运基区和复合基区。 2磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散当磁敏三极管末受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到，形成基极

26、电流；少数载流子输入到c极，因极，因而基极电流大于集电极电流。而基极电流大于集电极电流。 当受到正向磁场当受到正向磁场(H +)作用时，由作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射极的一侧，导致集电极电流显向发射极的一侧，导致集电极电流显著下降；当反向磁场著下降；当反向磁场(H -)作用时，载作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。由此可知，磁敏三极管在正、流增大。由此可知，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。明显变化。 3. 磁敏三极管的主要特性磁敏三极管的主

27、要特性 (1)磁电特性磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产产NPN型型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。近一条直线，如左下图所示。 (2)伏安特性伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图(a)为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图为不受磁场作用时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图 (b)是磁场为是磁场为1kG s

28、，基极为，基极为3mA时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于的电流放大倍数小于1。 (3)温度特性及其补偿温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温，其磁灵敏度的温度系数为度系数为0.8/；硅磁敏三极管；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为磁灵敏度的温度系数为-0.6/。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而

29、。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图 (a)所示。当温度升高时，所示。当温度升高时，BG1管集电极电流管集电极电流Ic增加，导致增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿管的集电极电流也增加，从而补偿了了BGm管因温度升高而导致管因温度升高而导致Ic的下降。的下降。 图图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅

30、磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一致、磁极相反的磁致、磁极相反的磁敏三极管组成的差敏三极管组成的差分电路，如图分电路，如图(c)所所示，这种电路既可示，这种电路既可以提高磁灵敏度，以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，又能实现温度补偿，它是一种行之有救它是一种行之有救的温度补偿电路。的温度补偿电路。3.1.4 磁敏式传感器应用举例磁敏式传感器应用举例 一、霍尔位移传感器一、霍尔位移传感器 霍尔位移传感器可制作成如图霍尔位移传感器可制作成如图(a)所示结构。在极性相反、磁场强度相所示结构。在极

31、性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I恒定不变时，霍尔恒定不变时，霍尔电势电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度dB/dx如图如图(b)所示为一常数时，则当霍尔元件沿所示为一常数时，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：（位移传感器的输出灵敏度）：KdxdBKdxdUHH即即UHKx 。这说明霍尔电势与。这说明霍尔电势与位移量成线性关系。其输出电势位移

32、量成线性关系。其输出电势的极性反映了元件位移方向。磁的极性反映了元件位移方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。梯度越均匀，输出线性度越好。 当当x0时，则元件置于磁场中心时，则元件置于磁场中心位置，位置，UH0。这种位移传感器。这种位移传感器一般可测量一般可测量12mm的微小位移，的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理可以无接触测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。压力、加速度、液位和压差等。二、汽车霍尔点火器二、汽车霍

33、尔点火器 上图是霍尔电子点火器结构示意图。将霍尔元件上图是霍尔电子点火器结构示意图。将霍尔元件(图中之图中之3)固定在汽车固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩1，罩的竖边根据汽车发动，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口机的缸数，开出等间距的缺口2，当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔，当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔器件而成闭合回路，所以电路导通，如上图器件而成闭合回路，所以电路导通，如上图(a)所示，此时霍尔电路输出低所示，此时霍尔电路输出低电平（小于等于电平（小于等于0.4V）；当罩边凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电）；

34、当罩边凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，如上图路截止，如上图(b)所示，霍尔电路输出高电平。所示，霍尔电路输出高电平。 霍尔电子点火器原理如下图所霍尔电子点火器原理如下图所示。当霍尔传感器输出低电平时，示。当霍尔传感器输出低电平时，BG1截止，截止，BG2、BG3导通，点火线导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过。当霍圈的初级有一恒定电流通过。当霍尔传感器输出高电平时，尔传感器输出高电平时，BG1导通，导通，BG2、BG3截止，点火器的初级电流截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式输量，在次级线因以高压放电形式输出

35、，即放电点火。出，即放电点火。 汽车霍尔电子点火器，由于它无汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前国外已广泛采用。特点，目前国外已广泛采用。 三、磁敏二报管漏磁探伤仅三、磁敏二报管漏磁探伤仅 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯、铁芯3、放大器、放大器4、磁敏二极管探头磁敏二极管探头5等部分构成。将

36、待测物等部分构成。将待测物1 (如钢棒如钢棒)置于铁芯之下，并使之置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，

37、经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。待测铁棒中的缺陷。四、四、半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器 半导体半导体InSbInSb磁敏无接触电位器是半导体磁敏无接触电位器是半导体InSbInSb磁阻效应的典型应用之一。磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比与传统电位器相比, ,它具有无可比拟的优点它具有无可比拟的优点: :无接触电刷、无电接触噪音、无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半

38、导体InSbInSb磁磁敏无接触电位器是基于半导体敏无接触电位器是基于半导体InSbInSb磁阻效应原理，由半导体磁阻效应原理，由半导体InSbInSb磁敏电阻磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。无接触电位器。磁敏无接触电位器工作原理示图和输出特性曲线090-90 该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰

39、好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。旋转角度变化的关系曲线如图所示。 五、锑化铟五、锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞视中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。图所示

40、，电路原理图如下图所示。 电路工作原理图InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性 当纸币上的磁性油墨当纸币上的磁性油墨没有进入位置没有进入位置1时，设输出时，设输出变化为零，如果进入位置变化为零，如果进入位置1，由于由于R2电阻增大，则输出电阻增大，则输出变化为变化为0.3mV左右；如果进左右；如果进入位置入位置3时，则仍为时，则仍为0；如；如果进入位置果进入位置4，则为，则为-0.3mV，如果进入位置如果进入位置5，则仍为，则仍为0，就这样产生输出特性，经就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达显示，就能检测伪币，达到理想效果。到理想效果。

41、3.1.5 新型磁敏传感器新型磁敏传感器 一、巨磁阻效应器件一、巨磁阻效应器件(GMR) 巨磁阻效应器件是德国西门子公司研制生产的一种新颖的磁敏传感巨磁阻效应器件是德国西门子公司研制生产的一种新颖的磁敏传感器。与传统的金属薄膜磁阻相比，其在弱磁场下的灵敏度更高，有效检器。与传统的金属薄膜磁阻相比，其在弱磁场下的灵敏度更高，有效检测距离高达测距离高达25毫米；该磁阻传感器与检测磁场的大小无关，仅对磁场的毫米；该磁阻传感器与检测磁场的大小无关，仅对磁场的方向非常敏感。因而特别适合于制作角度编码器、无接触电位器方向非常敏感。因而特别适合于制作角度编码器、无接触电位器,也可用也可用于于GPS导航系统。

42、导航系统。 1工作原理工作原理 巨磁阻效应器件基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用真空（溅射）巨磁阻效应器件基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用真空（溅射）蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻效应器件与传统的金属薄膜蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻效应器件与传统的金属薄膜磁阻元件不同，它对磁场强度在磁阻元件不同，它对磁场强度在515kA/m内的范围变化不太敏感、而对内的范围变化不太敏感、而对磁场强度的方向变化却非常敏感。巨磁阻效应器件的阻值随磁场强度的磁场强度的方向变化却非常敏感。巨磁阻效应器件的阻值随磁场强度的GMR工作原理方向的变化关系为：方向的变化关系为： RR0+0.5R（1-cos）

43、式中式中R0为巨磁阻器件在无磁场下为巨磁阻器件在无磁场下电阻值，电阻值，R为在有磁场下的电阻为在有磁场下的电阻变化值，变化值，指磁场强度的空间方向指磁场强度的空间方向,其值为其值为0360。其原理示意图见。其原理示意图见右图。右图。 2特点特点 对磁场强度在对磁场强度在515kA/m范围内的变化不敏感范围内的变化不敏感,仅对磁场方向敏感仅对磁场方向敏感; 有效检测距离为有效检测距离为25mm; 在弱磁场下灵敏度非常高在弱磁场下灵敏度非常高; 工作温度范围宽工作温度范围宽,其标称阻值其标称阻值R0和和R具有优良的线性温度特性具有优良的线性温度特性; 体积小、功耗低。体积小、功耗低。 3典型技术参

44、数典型技术参数 工作电源电流工作电源电流:7mA; 工作温度范围工作温度范围:-40+120; 标称阻值标称阻值:700; 在在515kA/m范围内的灵敏度范围内的灵敏度:4%; 标称阻值温度系数标称阻值温度系数TCR0：0.090.12%/; 磁阻温度系数磁阻温度系数R：-0.12-0.09%; 磁滞（磁滞（10kAm）：）： 2度度; 磁阻效应温度系数磁阻效应温度系数RR0：-0.270.23%； 4应用应用 巨磁阻效应器件具有弱磁场下灵敏度高、对磁场强度方向变化非常巨磁阻效应器件具有弱磁场下灵敏度高、对磁场强度方向变化非常敏感的特性，同时，巨磁阻效应器件又有优良的线性温度特性。因此，敏感

45、的特性，同时，巨磁阻效应器件又有优良的线性温度特性。因此，可根据实际需要，通过桥式或半桥式电路结构进行温度补偿，以满足巨可根据实际需要，通过桥式或半桥式电路结构进行温度补偿，以满足巨磁阻传感器的性能要求。磁阻传感器的性能要求。二、特性新颖敏感元件二、特性新颖敏感元件 Z元件元件 Z元件的发明是俄罗斯传感器专家元件的发明是俄罗斯传感器专家V.D.Zotov教授与他的同事们在教授与他的同事们在1983年从一起半导体年从一起半导体PN结伏安特性实验出现奇怪的结果所引发的，这种结伏安特性实验出现奇怪的结果所引发的，这种元件也因此得名：元件也因此得名：Z元件。元件。 Z元件是一种元件是一种N区被重掺杂补

46、偿的特种区被重掺杂补偿的特种PN结结构结结构,它通过负载电阻它通过负载电阻R按按正向偏置接在直流电路中，负载电阻正向偏置接在直流电路中，负载电阻R用于限制工作电流并取出电压信号。用于限制工作电流并取出电压信号。 Z元件的发明人元件的发明人V.D.Zotov教授认为，教授认为，“Z效应效应”微观机理的核心在于微观机理的核心在于该该PN结在一定电源电压下能产生一种结在一定电源电压下能产生一种“电流细丝电流细丝”(Current filament)效效应应(或译成潺流效应或译成潺流效应)，并在外部激励下能产生一种所谓，并在外部激励下能产生一种所谓“细丝电细丝电流流”(filament Current

47、)冲击或细丝电流振荡。冲击或细丝电流振荡。Z元件应用电路的工作原理元件应用电路的工作原理为在外部激励下能产生为在外部激励下能产生“细丝电流细丝电流”冲击或电流振荡的缘故。在下图冲击或电流振荡的缘故。在下图1所所示电路中，若在外部激励下产生细丝电流冲击，电路中产生工作电流突示电路中，若在外部激励下产生细丝电流冲击，电路中产生工作电流突变，则负载电阻变，则负载电阻R上获得开关量输出。若外部激励产生细丝电流振荡，电上获得开关量输出。若外部激励产生细丝电流振荡，电路中产生振荡电流，则负载电阻路中产生振荡电流，则负载电阻R上获得脉冲输出；若外部激励没有达到上获得脉冲输出；若外部激励没有达到产生细丝电流冲

48、产生细丝电流冲Z元件原理示意图击或细丝电流振荡的阈值，则负载电阻击或细丝电流振荡的阈值，则负载电阻R上获上获得模拟量输出。得模拟量输出。 Z元件它的诱人之处就是无需前置放大器元件它的诱人之处就是无需前置放大器和和A/D转换器，便可直接输出大幅值数字信号，转换器，便可直接输出大幅值数字信号，且是无接触式测量，具有体积小，功耗低且是无接触式测量，具有体积小，功耗低,抗抗噪能力强等优点。噪能力强等优点。3.2 3.2 气敏传感器气敏传感器 气敏传感器是用来测量气体的类别、浓皮和成分的传感器。由于气敏传感器是用来测量气体的类别、浓皮和成分的传感器。由于气体种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所

49、有类别的气体种类繁多性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气气体，因此，能实现气 电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感电转换的传感器种类很多。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导器材料可分为半导体和非半导体两大类。目前实际使用最多的是半导体气敏传感器，早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用不便已体气敏传感器，早期所采用的电化学和光学等方法，由于使用不便已很少采用。很少采用。 半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面、还是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；

50、按照半导体变化的物是在内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和理性质，又可分为电阻型（电导控制型、金属氧化物半导体器件）和非电阻型（电压控制型、非电阻型（电压控制型、MOS器件）两种。电阻型半导体气敏元件是器件）两种。电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。特性变化对