第九章 半导体磁敏
传感器
简
介
磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改 变其运动方向这一特性而制成。（磁电效应） 按其结构可分为体型和结型两大类。 体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化 铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。 结型的有磁敏二极管Ge、Si,磁敏晶体管Si
在恒定磁感应强度下，磁敏电阻的长度与宽度的比越小，电阻 率的相对变化越大。
长方形磁阻器件只有在l<b的
条件下，才表现出较高的灵
I
敏度。在实际制作磁阻器件
t
即：
U Ht U Ho (1 t )
9.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿 1. 零位误差及补偿方法
B
R1 B
R2
C U0
D
C
IR3ຫໍສະໝຸດ D R44AA
(a)
(b)
（a） 不等位电势
（b） 霍尔元件的等效电
路
图9－5 不等位电势及霍尔元件等效电路
几种常用补偿方法
A
C
D
B
W
A
R1
R2
C
D
R3 B R4
移量。
例9-2 霍尔转速传感器 输入轴
输入轴
霍尔传感器
（a）
（b）
图9-9 霍尔转速传感器结构
9.2
磁敏电阻器
9.2.1 磁阻效应 当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。
当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。
如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁阻 效应方程为：
W （
（b）
A
C
D
(b)
B
W
A
R1
R2
C
D
R3 B R4
W
a
）
2. 温度误差及补偿
IH
IP
I
Rp
霍尔元件电阻 温度系数
UH
图9-4 恒流源温度补偿电
霍尔元件电势 温度系数
当路温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，
在I为定值时通过霍尔元件的激励电流IH减少， 而通过分流电阻Rp的电流Ip增大，从而达到补偿
霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最 常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟 (InAs)等半导体材料。
2 测量电路 （a）基本测量电路
W E
RL
UH
W1
W2
~
UH
UH
（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式
9.1.3 霍尔元件的主要特征参数
UH = EH b = vBb
(9-
3)
流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt = bdvnq
得：
v =I / nqbd
(9
-4)
所以：
UH = BI / nqd
若取 RH = 1 / nq 则
IB U H RH d
RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料
的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。
设
KH
RH d
U H K H IB
KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电
流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小. 单位是mV/（mA·T）
KH
1 nqd
9.1.2 霍尔元件的构造及测量电路
基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件
多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d 越小)，KH 就越
10oC温升时对应的激励电流称为额定激励
电流。
4.不平衡电势U0和不等位电阻r0 在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极
间的空载霍尔电势。不等位电势与额定激励
电流之比称为不等位电阻ro
5.霍尔温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1°C时，霍尔电 势变化的百分率。
（U Ht U Ho ) / U Ho
将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向
向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人
电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电
势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相 反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果 霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零
；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置
时，即可得到输出电压，其大小正比于位
B （0 1 0.273 2B2 )
电阻率的相对变化
0.273 2B2 K 2B2 0
可以看出 ，在磁感应强度Ｂ一定时，迁移率越高的材料（如InS
b、InAs、NiSb等半导体材料）磁阻效应越明显。
从微观上讲，材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的 作用而加长所致。
9.2.2 磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外，还与磁敏电阻的形状有关。
大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。
1 构造
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。
的目的。
利用恒流源进行补偿
当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍 尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行 补偿即可。 若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化 极小，从而减少了输入端的温度影响。
9.1.5 霍尔式传感器的典型应用
霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁 场、电流等的测量或控制。
应用范围可分为模拟用途和数字用途。
9.1 霍尔传感器
9.1.1 霍尔效应
b FE
B
FL v
d
I UH
l
图9-1 霍尔效应
设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时
FL = qvB
(9-1)
当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有
q
EH=qvB
故霍尔电场的强度为 （9-2）
EH=vB
所以，霍尔电压UH可表示为
U H K H IB
KH
1 nqd
1.霍尔高斯计； 2.霍尔位移传感器； 3.霍尔角位移传感器和转速传感器
例9-1 检测磁场
检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成 各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直， 通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。
图9-7 霍尔位移传感器
1.灵敏度KH
霍尔元件在单位激励电流和单位磁场感应强度作用下的的空载霍
尔电压。
K H RH / d
KH
1 nqd
减小d；选好的半导体材料
2.输入电阻Ri和输出电阻RO Ri是指控制电流极之间的电阻值。
R0指霍尔元件电极间的电阻。 Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。
3.额定激励电流I
当霍尔元件的电流使其本身在空气中产生