传感器课件刘笃仁版第4章 磁敏传感器 (2)
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第4章磁敏传感器 (2)98页PPT文档
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03.04.2020
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟
灵敏度低、温度 特性及线性度好
灵敏度最高、 受温度影响大
03.04.2020
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
C
A B
C
A
B
H
C AB
D D
导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元 件多采用 N 型半导体（多电子）;
➢ 由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所 以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米(d≈1μm)。
03.04.2020
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
注：
1、当电流I的方向或磁场的方向改变时，输出电 势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时 输出电势不改变方向。
2、如果磁场和薄片法线有θ角，那么 ：
VH＝ KH I B cosθ
03.04.2020
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
电流极 三、霍尔元件的结构
霍尔电极
D
A
B
s
5.4
2.7
C
0.2 0.3 0.5 （a）
2.1
w
A
l
R4
（b）
d
D R1 R2
B
R4 R3 C
（c）
(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路
D
霍尔器件符号
➢霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。
➢电流端子A、B称为器件电流端、控制电流端。
➢端子C、D称为霍尔端或输出端。
➢实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。
第4章 磁敏传感器-PPT课件
0
得
RL
Ro0
1
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
3、采用恒压源和输入回路串联电阻 4、采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等)
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
霍尔元件不等位电势 U 0的温度补偿
B=0 欧姆表
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
（4）基本特性
UH＝ KH I B
直线性：指霍尔器件的输出电势UH分别和基本参数
I、U、B之间呈线性关系。
灵敏度KH：
乘积灵敏度：
霍尔元件的输出电压要由磁感应强度B和控制电流
I的乘积来确定,表示霍尔电势UH与两者乘积之间的比
值，通常以mV/(mA·0.1T)。
简单、测量精度差、 受外界干扰大
IC VH
I
B
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
（2）导线贯穿磁芯法
导磁铁芯
环形铁芯集中磁力线， 提高电流测量精度
（3）绕线法
I
通电导线
• 该电场产生的电场力fE 阻止电子继续偏转。
当fEfl 时，电荷积累 平达 衡到 。
fl e(vB) fEeE
2019/7/5
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
fle(vB )fEeE
EvBU bHEvBUHbvB
Inebd
U HB bn Ie B dR HId BK H IBRH
2019/7/5
传感器原理及应用
磁敏式传感器.课件
详细描述
新型磁敏材料如稀土永磁材料、铁氧体材料等具有更高 的磁导率和磁感应强度，能够提高传感器的灵敏度和响 应速度。同时，新工艺如薄膜制备、纳米刻蚀等技术的 应用，使得传感器尺寸更小、精度更高。
多功能化与集成化
总结词
磁敏式传感器正朝着多功能化和集成化方向发展，以 满足复杂环境下多参数检测和系统集成的需求。
响应时间
总结词
响应时间是磁敏式传感器对磁场变化做出反应所需的时间。
详细描述
响应时间越短，表示传感器对磁场变化的响应速度越快。在动态测量中，需要选择响应时间较短的传 感器，以确保测量的实时性和准确性。
温度稳定性
总结词
温度稳定性是指磁敏式传感器在温度变化下 保持性能稳定的能力。
详细描述
温度稳定性越高，表示传感器受温度影响越 小，能够保证测量的准确性。在高温或温度 变化较大的环境中，选择温度稳定性较高的 磁敏式传感器尤为重要。
详细描述
多功能化传感器不仅可以检测磁场强度，还可以同时检 测温度、压力、湿度等多种参数。集成化则将多个传感 器单元集成在一个芯片上，实现多参数的同时测量和传 输，提高系统的可靠性和稳定性。
网络化与智能化
总结词
网络化和智能化是磁敏式传感器的未来 发展趋势，将推动传感器在物联网、智 能制造等领域的应用。
电子罗盘
磁敏式传感器可以用于电子罗盘的制造，提供方向信息。
要点二
磁场矢量测量
通过多个磁敏式传感器的组合，可以用于磁场矢量的测量， 常用于地球磁场测量、磁场矢量分析等领域。
06
磁敏式传感器的发展趋势与展望
新材料与新工艺的应用
总结词
随着科技的不断进步，新材料与新工艺在磁敏式传感器 中的应用越来越广泛，为传感器性能的提升和功能拓展 提供了更多可能性。
磁敏传感器概要课件
详细描述
当电流通过一个导体时，如果有一个外部磁场作用在导体上，那么导体的电阻值 会产生变化。利用这个电阻值的变化可以测量外部磁场的大小和方向。磁阻传感 器具有较高的灵敏度和响应速度。
磁致伸缩效应
总结词
磁致伸缩效应是磁敏传感器另一种重要的技术原理，它利用磁场改变材料的长度和体积，从而检测磁场强度和方 向。
以满足不同应用场景的需求。
通过技术创新和规模化生产，实 现成本与性能的最佳平衡，是磁
敏传感器发展的关键。
标准化与互操作性
为了提高磁敏传感器的市场竞争 力，需要制定统一的标准和规范 ，促进产品的互换性和互操作性
。
标准化有助于提高产品质量、降 低生产成本、促进产业升级和技
术创新。
建立磁敏传感器的标准体系，推 动产业协同发展，是未来发展的
随着物联网技术的发展，磁敏 传感器在智能家居、智慧城市 等领域的应用前景广阔。
磁敏传感器在新能源领域的应 用，如风力发电、太阳能逆变 器等，具有巨大的市场潜力。
成本与性能的平衡
降低磁敏传感器的成本是市场推 广的关键，需要优化生产工艺和
降低材料成本。
在追求低成本的同时，需要保证 传感器的性能稳定性和可靠性，
PART 04
磁敏传感器的发展趋势与 挑战
பைடு நூலகம்
技术创新与突破
磁敏传感器技术不断进步，新型材料和工艺的应用提高了传感器的灵敏度和可靠性 。
集成化与微型化成为磁敏传感器的发展趋势，有助于降低成本、减小体积和重量。
磁敏传感器与其他传感器的集成，实现多参数测量，提高了测量精度和可靠性。
应用领域的拓展
磁敏传感器在智能制造、机器 人、航空航天、医疗等领域的 应用逐渐增多。
详细描述
当电流通过一个导体时，如果有一个外部磁场作用在导体上，那么导体的电阻值 会产生变化。利用这个电阻值的变化可以测量外部磁场的大小和方向。磁阻传感 器具有较高的灵敏度和响应速度。
磁致伸缩效应
总结词
磁致伸缩效应是磁敏传感器另一种重要的技术原理，它利用磁场改变材料的长度和体积，从而检测磁场强度和方 向。
以满足不同应用场景的需求。
通过技术创新和规模化生产，实 现成本与性能的最佳平衡，是磁
敏传感器发展的关键。
标准化与互操作性
为了提高磁敏传感器的市场竞争 力，需要制定统一的标准和规范 ，促进产品的互换性和互操作性
。
标准化有助于提高产品质量、降 低生产成本、促进产业升级和技
术创新。
建立磁敏传感器的标准体系，推 动产业协同发展，是未来发展的
随着物联网技术的发展，磁敏 传感器在智能家居、智慧城市 等领域的应用前景广阔。
磁敏传感器在新能源领域的应 用，如风力发电、太阳能逆变 器等，具有巨大的市场潜力。
成本与性能的平衡
降低磁敏传感器的成本是市场推 广的关键，需要优化生产工艺和
降低材料成本。
在追求低成本的同时，需要保证 传感器的性能稳定性和可靠性，
PART 04
磁敏传感器的发展趋势与 挑战
பைடு நூலகம்
技术创新与突破
磁敏传感器技术不断进步，新型材料和工艺的应用提高了传感器的灵敏度和可靠性 。
集成化与微型化成为磁敏传感器的发展趋势，有助于降低成本、减小体积和重量。
磁敏传感器与其他传感器的集成，实现多参数测量，提高了测量精度和可靠性。
应用领域的拓展
磁敏传感器在智能制造、机器 人、航空航天、医疗等领域的 应用逐渐增多。
详细描述
传感器章磁敏传感器优秀课件
栅格磁阻器件既增加了零磁场
I
电阻值、又提高了磁阻器件的
灵敏度。
B
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 温度补偿方案。
磁阻元件的电阻值与磁场的 极性无关，它只随磁场强度 的增加而增加
磁阻元件的温度特性 不好，在应用时，一 般都要设计温度补偿 电路。
两组电桥的输出电压相位相差90度
两组电桥制作成相差45度分布，输出 信号相差90度
可判别角度方向
转速传感器 传感器与调理电路
安装
工作原理 输出方波—— 频率信号
各向异性磁阻传感器(AMR)
原理： *Anisotropic Magnetoresistive Effect——各向异性磁
芯片内的惠斯通电桥
各向异性磁阻传感器 HMC1002
HoneyWell公司的HMC1002 特性： *响应时间短（可以测高频交变磁场） *测量精度高 （达10^(-8)T) *有两个敏感轴，可确定平面内大小方
向 芯片体积小，定位较准确
芯片管脚排布
HMC1052磁阻传感器由两个AMR 传感 器(各向异性磁阻传感器) 整合在一起,可 以把任何水平方向的磁场分解为X , Y 两 个方向的矢量。
阻效应
各向异性磁阻传感器是将铁镍合金薄膜沉积在硅基底上 构成的，沉积的时候薄膜以条带的形式排布，形成 一个平面的线阵以增加磁阻的感知磁场的面积。
当外部磁场加到这样的铁磁性薄膜上的时候，磁畴旋转， 改变空间取向，这样使得薄膜条带构成的线阵的表 观电阻发生改变。具体的说，电桥的相对的两个臂 上的电阻增大，而另外两只相对的臂上的电阻减小， 就反应在电桥电压输出的改变上。
磁敏传感器(讲)课件
磁通门技术
总结词
磁通门技术利用铁磁材料的磁化强度随磁场强度变化的特点 来检测磁场。
详细描述
铁磁材料在磁场中被磁化后，其磁化强度随磁场强度的变化 而变化。通过测量铁磁材料的磁化强度，可以间接地检测磁 场。磁通门技术具有较高的灵敏度和线性度，因此在高精度 磁场测量中得到广泛应用。
隧道效应
总结词
隧道效应是利用电子在两个金属间通过隧道穿透的原理来检测磁场。
磁敏传感器容易受到噪声干扰 ，如电磁干扰、电源波动等， 影响测量精度。
成本较高
相对于一些其他传感器，磁敏 传感器的制造成本较高。
稳定性不足
磁敏传感器的稳定性有待提高 ，需要定期校准和维护。
改进方向
温度补偿技术
研究和发展温度补偿技术，以减小温 度对磁敏传感器的影响。
噪声抑制技术
采用先进的信号处理技术，抑制噪声 干扰，提高测量精度。
常工作。
汽车电子
用于检测车辆的磁场变化，如 发动机点火、车轮转速等，提 高车辆的安全性和稳定性。
环保监测
用于检测环境中的磁场变化， 如气体泄漏、地下水污染等，
保障环境和人类健康。
02
磁敏传感器的原理
霍尔效应
总结词
霍尔效应是磁敏传感器中最常用的一种效应，利用半导体材料在磁场中导电时 产生的电动势来检测磁场。
通过检测磁性材料的磁性特征，可以 判断材料的种类、磁性状态等，用于 材料科学、冶金等领域。
电流测量
直流电流检测
磁敏传感器可以检测直流电流的大小，常用于电源管理、电机控制等领域。
交流电流检测
通过检测交流电产生的磁场，磁敏传感器能够测量交流电流的幅值和频率，广泛应用于电力系统和自 动化控制领域。
位置和角度检测
《磁敏传感器》PPT课件 (2)
纸币
Vout
3
N
S
（a）
图2
（b）
03
10
B(KGS)
ΔRB/R0|B=3kGs≥2.5倍
第四章 磁敏传感器
• 半导体磁敏电阻工作原理：
B FL
⊖⊕
B
d
⊖
⊕
⊖
⊕
⊖
⊕
⊖ FHall ⊕
I
I
I
VＨａｌｌ
Fm = －q v B
EH＝ j B / n q ＝ RH j B
VH ＝ RH I B / d μ ＝ RH σ
• 磁敏电阻传感器是利用薄膜化的磁电阻敏感元 件非接触地将与磁场变化相关的多种运动形式转 化为电信号输出，形成的各种各样传感器:
•
半导体磁电阻材料
•低维功能磁电阻材料
•
•
(GMR)
各向异性磁电阻薄膜材料
(AMR)
巨磁电阻 薄膜材料
第四章 磁敏传感器
三、磁敏电阻器件的特性：
⑴ 永磁体与MR元件非接触，无触点； ⑵ 无磨损，无接触电噪声； ⑶ 电性能寿命无限； ⑷ 纯电阻元件，响应速度从静态到10－9秒，反响迅
H(Oe)
第四章 磁敏传感器
三、自旋阀磁电阻薄膜
Fe/Cu/Fe 薄膜
衬底
磁场
电流
第四章 磁敏传感器
第四章 磁敏传感器
四、多层膜磁电阻薄膜
(Fe/Cu)30 膜
Fe
Cu
衬底
磁场
电流
第四章 磁敏传感器
第四章 磁敏传感器
五、颗粒膜
Ag80Co20 薄膜
：Co 颗粒
衬底
电流 磁场
第四章 磁敏传感器
2019年-第4章 磁敏传感器-PPT精选文档
2019/4/12
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
四、主要技术参数及特性
（1）额定激励电流 IH ——霍尔元件的允许温升规定着一个最 大控制电流。 （2）不平衡电势U0 不等位电势、零位电势 ——IH、B=0、空载霍尔电势 原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良 （3）输入电阻Ri 、输出电阻R0 Ri —— 控制电流电极间的电阻 B=0 欧姆表
灵敏度低、温度 特性及线性度好 灵敏度最高、 受温度影响大
2019/4/12
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
C A B A C H B A D C B
D
D
霍尔器件符号
霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。
电流端子A、B称为器件电流端、控制电流端。 端子C、D称为霍尔端或输出端。 实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。
A
D
5.4 2.7
霍尔电极
B
2.1
s
d
w
C l
0.2 0.3
R1
D
R2 B
A
0.5
（a） （b）
R4
R4
C （c）
R3
(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路 外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2
2019/4/12
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟
磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。
2019/4/12
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
五、基本电路
I
B V
IH R3 VH
R
传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
四、主要技术参数及特性
（1）额定激励电流 IH ——霍尔元件的允许温升规定着一个最 大控制电流。 （2）不平衡电势U0 不等位电势、零位电势 ——IH、B=0、空载霍尔电势 原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良 （3）输入电阻Ri 、输出电阻R0 Ri —— 控制电流电极间的电阻 B=0 欧姆表
灵敏度低、温度 特性及线性度好 灵敏度最高、 受温度影响大
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传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
C A B A C H B A D C B
D
D
霍尔器件符号
霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。
电流端子A、B称为器件电流端、控制电流端。 端子C、D称为霍尔端或输出端。 实测中可把I*B作输入，也可把I或B单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。
A
D
5.4 2.7
霍尔电极
B
2.1
s
d
w
C l
0.2 0.3
R1
D
R2 B
A
0.5
（a） （b）
R4
R4
C （c）
R3
(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路 外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2
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传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟
磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。
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传感器原理及应用
第4章 磁敏传感器
五、基本电路
I
B V
IH R3 VH
R
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16.02.2021
第4章第8页共157页
第4章
B0(10.27 2B 3 2)
设电阻率的变化为: B0
则电阻率的相对变化为：
0 0.273 2B2k(B)2
由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。
InSb（锑化铟）和InAs（砷化铟）等半导体的载流子迁
16.02.2021
第4章第9页共157页
越大越好。 KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。
KH
RH d
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。
16.02.2021
第4章第14页共157页
第4章
UH KHIB
16.02.2021
第4章第10页共157页
第4章
4.2 霍尔元件
4.2.1 霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应的产
生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。
16.02.2021
第4章第11页共157页
第4章
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
(4.2) V·m2／(A·Wb))
KH称为霍尔元件的灵敏度。于是：
16.02.2021
UH=KHIB
(4.3)
第4章第13页共157页
第4章
UH KHIB
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
第4章
4.1.3
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：
0 k(B)2[1f(l/b)]
式中： f(l／b)为形状效应系数；l为磁敏元件的长度； b为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化 而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应
第4章
第4章第2页共157页
第4章
第4章第3页共157页
第4章
第4章第4页共157页
B
b FE
FL v
d
I UH
l
图7-1 霍尔效应
若薄片为N型，控制电流I自左向右,多数载流子电子沿与I反向运动，B使电 子受到 Lorentz FL而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电子带正电，前后 端面间形成电场 积累越多，电场越强……. 当FL与FE相等时的电场为EH，相应的电势为霍尔电势UH
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:
子 (电子和空穴 )的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一 种载流子引起电阻率变化 .
当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的 平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推 出磁阻效应的表达式为：
B0(10.27 2B 3 2)
式中：B——磁感应强度；
μ——
ρ0—— ρB——磁感应强度为B时的电阻率。
16.02.2021
第4章第18页共157页
第4章
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)。
第4章
这时在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，
相应的电势就称为霍尔电势UH，其大小可用下式表示：
UH
RHIB(V) d
(4.1)
式中：RH——霍尔常数（米3／库仑，即m3／C I——控制电流（安培，即A
B——磁感应强度（特斯拉，即T
d——霍尔元件厚度（米，即m
令：
KH
RH d
(伏·米2／(安·韦伯)，
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。
16.02.2021
第4章第12页共157页
2′
1
1′
16.02.2021
2
图4.2 霍尔元件示意图 第4章第16页共157页
第4章
16.02.2021
第4章第17页共157页
第4章
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。
H
16.02.2021
图4.3 霍尔元件的符号
第4章第19页共157页
第4章
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 R 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。
UHKHIB cos
16.02.2021
第4章第15页共157页
第4章
4.2.2 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组
成。霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型的锗、 锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成，见图4.2。在长边 的两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1，1′）， 在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压输出端引 线（见图中2，2′）。焊接处要求接触电阻小，且呈纯电 阻性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或
第4章
4.1.2 磁阻效应
I
将一载流导体置
于外磁场中，除了产
生霍尔效应外，其电
B
阻也会随磁场而变化。
这种现象称为磁致电
阻效应，简称为磁阻
效应。
b
I
B l
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第4章第7页共157页
第4章
在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使
得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流