1、2021-7-121 磁敏傳感器定義磁敏傳感器定義 磁敏傳感器是基于磁電轉換原理將磁學物理量轉 換成電信號的傳感器。 磁敏傳感器分類磁敏傳感器分類 體型：霍耳傳感器，磁敏電阻。 結型：磁敏二極管，磁敏晶體管。 4.1 4.1 磁敏傳感器的種類磁敏傳感器的種類 18561856年，發現磁阻效應；年，發現磁阻效應；18791879年，發現霍耳效應。年，發現霍耳效應。 以上效應，為磁敏傳感器的產生奠定了基礎。以上效應，為磁敏傳感器的產生奠定了基礎。 2021-7-122 4.2 4.2 磁電效應磁電效應 （一）霍耳效應（一）霍耳效應 半導體薄片置于磁感應強度為B 的磁場中，磁 場方向垂直于薄片，當有

2、電流I 流過薄片時，在垂直 于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象 稱為霍耳效應， EH稱為霍耳電勢。 磁感應強度磁感應強度B B為零時的情況為零時的情況 c c d d a a b b 2021-7-123 作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍耳電 勢也就越高。霍耳電勢EH可用下式表示： EH=RH JB 磁感應強度磁感應強度B B較大時的情況較大時的情況 2021-7-124 霍耳效應演示霍耳效應演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的 作用，向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端 面之間建立起霍耳電勢。 c c d d a a b b 2021-7-125 * *磁場不垂直

3、于半導體薄片時磁場不垂直于半導體薄片時 若磁感應強度若磁感應強度B B不垂直于半導體薄片，而是與其不垂直于半導體薄片，而是與其 法線成某一角度法線成某一角度 時，實際上作用于半導體薄片上的時，實際上作用于半導體薄片上的 有效磁感應強度是其法線方向的分量，即有效磁感應強度是其法線方向的分量，即B Bcoscos ，這，這 時的霍耳電勢為：時的霍耳電勢為： E EH H= =R RH HJBJBcoscos U UH H= =KIKIH HB Bcoscos 結論：結論：霍耳電勢與輸入電流密度霍耳電勢與輸入電流密度J J、磁感應強度、磁感應強度B 成正比，且當成正比，且當B的方向改變時，霍耳電勢的

4、方向也隨的方向改變時，霍耳電勢的方向也隨 之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍耳電勢之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍耳電勢 為同頻率的交變電勢。為同頻率的交變電勢。 2021-7-126 （二）磁阻效應和形狀效應（二）磁阻效應和形狀效應 半導體外加磁場時，電阻值增加的物理現象可半導體外加磁場時，電阻值增加的物理現象可 分為兩種情況：分為兩種情況： 1. 磁阻效應磁阻效應 半導體外加磁場時，自身電阻率增加的現象，半導體外加磁場時，自身電阻率增加的現象， 磁阻效應直接反映固體的物性。磁阻效應直接反映固體的物性。 2. 形狀效應形狀效應 半導體外加磁場時，在金屬電極附近電流路徑半導體外加

5、磁場時，在金屬電極附近電流路徑 增長而使電阻值增加的現象，形狀效應與電極和元增長而使電阻值增加的現象，形狀效應與電極和元 件的形狀有關。件的形狀有關。 2021-7-127 AB C D R1R2 R3R4 (d)等效電路 霍耳元件基本結構：霍耳元件基本結構： 4.3 4.3 霍耳元件霍耳元件 (a)外形結構示意圖(b)圖形符號 單端輸出 雙端輸出 (c)電路符號 激勵電極激勵電極1、1被稱為被稱為 器件電流端子、控制電流器件電流端子、控制電流 端子或端子或輸入電流端子輸入電流端子。 霍耳電極霍耳電極2、2被稱為被稱為 霍耳端子或霍耳端子或輸出電壓端子輸出電壓端子。 流入到器件內的電流，稱為器

6、件電流、流入到器件內的電流，稱為器件電流、控制電流控制電流或輸入電流。或輸入電流。 若霍耳端子間連接負載，成為霍耳負載電阻或若霍耳端子間連接負載，成為霍耳負載電阻或霍耳負載霍耳負載。 電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電阻輸入電阻或者控制內阻?；蛘呖刂苾茸?。 霍耳端子間的電阻，稱為霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻輸出電阻或霍耳側內部電阻?；蚧舳鷤葍炔侩娮?。 2021-7-128 霍耳元件的主要外特性參數霍耳元件的主要外特性參數 最大最大磁感應強度磁感應強度BM: : 上圖所示霍耳元件的線性范圍是多少？上圖所示霍耳元件的線性范圍是多少？ 線性區線性區 2021-7-129 霍耳元件的

7、主要外特性參數霍耳元件的主要外特性參數 最大最大激勵電流激勵電流IM : : 以霍耳元件允許最大溫升為限制所對應的激勵以霍耳元件允許最大溫升為限制所對應的激勵 電流稱為最大允許激勵電流。電流稱為最大允許激勵電流。 由于霍耳電勢隨激勵電流增大而增大，故在應由于霍耳電勢隨激勵電流增大而增大，故在應 用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流 增大，霍耳元件的功耗增大，元件的溫度升高，增大，霍耳元件的功耗增大，元件的溫度升高， 從而引起霍耳電勢的溫漂增大，因此每種型號從而引起霍耳電勢的溫漂增大，因此每種型號 的元件均規定了相應的最大激勵電流，它的數的元件均規定了

8、相應的最大激勵電流，它的數 值從幾毫安至十幾毫安。值從幾毫安至十幾毫安。 2021-7-1210 圖中控制電流I由電源E供給,R為調節電阻,保證器件內所 需控制電流I?；舳敵龆私迂撦dR3,R3可是一般電阻或放 大器的輸入電阻、或表頭內阻等。磁場B垂直通過霍耳器 件,在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。 控制電流I； 霍耳電勢VH； 控制電壓V； 輸出電阻R2； 輸入電阻R1； 霍耳負載電阻R3； 霍耳電流IH。 VH R3 V BI E IH 霍耳元件基本測量電路 R 實際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出 可以正比于I或B, 或者正比于其乘積IB。 2021-7-12

9、11 霍耳元件的溫度補償霍耳元件的溫度補償 溫度變化，導致霍爾元件內阻、霍爾靈敏度等變化， 給測量帶來一定誤差，即溫度誤差。為了減小溫度 誤差，需采取溫度補償措施。 采用恒流源供電和輸入回路并聯電阻 |選取合適的負載電阻RL 采用恒壓源和輸入回路串聯電阻 |采用溫度補償元件 2021-7-1212 4.4 4.4 霍耳集成元件霍耳集成元件 霍耳集成元件是霍耳集成元件是霍耳元件霍耳元件與與運放運放一體化的結構，可分一體化的結構，可分 為為線性輸出型線性輸出型和和開關輸出型開關輸出型兩大類。兩大類。 線性型集成電路是將霍線性型集成電路是將霍 耳元件和恒流源、線性耳元件和恒流源、線性 差動放大器等做

10、在一個差動放大器等做在一個 芯片上，輸出電壓為伏芯片上，輸出電壓為伏 級，比直接使用霍耳元級，比直接使用霍耳元 件方便得多。件方便得多。 線性型三端霍耳集成電路線性型三端霍耳集成電路 2021-7-1213 線性輸出型霍耳集成元件線性輸出型霍耳集成元件 單端輸出傳感器的電路結構框圖單端輸出傳感器的電路結構框圖 2 3 輸出 + 穩壓 VCC 1 霍耳元件放大 地 H 穩壓 H 3 VCC 地 4 輸出 輸出 1 8 6 7 5 雙端輸出傳感器的電路結構框圖雙端輸出傳感器的電路結構框圖 三端器件，輸出電壓 對外加磁場的微小變 化能做出線性響應， 典型產品是SL3501T。 8腳雙列直插封裝的器

11、件，它可提供差動射 極跟隨輸出，還可提 供輸出失調調零，典 型產品是SL3501M。 2021-7-1214 線性輸出型霍耳集成元件特性線性輸出型霍耳集成元件特性 右圖示出了具有雙端差動右圖示出了具有雙端差動 輸出特性的線性霍耳器件輸出特性的線性霍耳器件 的輸出特性曲線。當磁場的輸出特性曲線。當磁場 為零時，它的輸出電壓等為零時，它的輸出電壓等 于零；當感受的磁場為正于零；當感受的磁場為正 向向( (磁鋼的磁鋼的S S極對準霍耳器極對準霍耳器 件的正面件的正面) )時，時， 輸出為正；輸出為正； 磁場反向時，輸出為負。磁場反向時，輸出為負。 線性范圍線性范圍 2021-7-1215 開關輸出型

12、霍耳集成元件開關輸出型霍耳集成元件 開關型霍耳集成電路是將開關型霍耳集成電路是將霍耳元件霍耳元件、穩壓電路穩壓電路、放大器放大器、施密施密 特觸發器特觸發器、OC門門等電路做在同一個芯片上。等電路做在同一個芯片上。 當外加磁場強度超過規定的工作點時，當外加磁場強度超過規定的工作點時，OC門由高阻態變為導門由高阻態變為導 通狀態，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，通狀態，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時， OC門重新變為高阻態，輸出高電平。門重新變為高阻態，輸出高電平。 霍耳開關集成傳感器內部結構框圖霍耳開關集成傳感器內部結構框圖 霍耳元件 雙端輸入 單端輸出 的運放 施密特

13、出 發器 OC門 2021-7-1216 典型開關輸出型霍耳集成器件典型開關輸出型霍耳集成器件UGN3020 （b）應用電路）應用電路 （a）外型）外型 霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路霍耳開關集成傳感器的外型及應用電路 2021-7-1217 開關輸出型霍耳集成元件應用實例開關輸出型霍耳集成元件應用實例 2021-7-1218 ? ? 2021-7-1219 開關輸出型霍耳集成傳感器構成的接口電路開關輸出型霍耳集成傳感器構成的接口電路 2021-7-1220 * *霍耳傳感器的應用霍耳傳感器的應用 利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例 的特性，可借助于固定元件的

14、控制電流，的特性，可借助于固定元件的控制電流， 對磁量以及其他可轉換成磁量的電量、機對磁量以及其他可轉換成磁量的電量、機 械量和非電量等進行測量和控制。應用這械量和非電量等進行測量和控制。應用這 類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁 讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、 轉速計、無觸點開關等。轉速計、無觸點開關等。 2021-7-1221 霍耳特斯拉計霍耳特斯拉計(高斯計高斯計)及其使用及其使用 霍耳元件霍耳元件 磁鐵磁鐵 2021-7-1222 霍耳傳感器用于測量磁場強度霍耳傳感器用于測量磁場強度 霍耳元件霍耳元件 測量

15、鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值 2021-7-1223 霍耳轉速表霍耳轉速表 當齒對準霍耳元件時，磁力線集中穿過霍耳當齒對準霍耳元件時，磁力線集中穿過霍耳 元件，可產生較大的霍耳電動勢，放大、整形元件，可產生較大的霍耳電動勢，放大、整形 后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍耳后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍耳 元件時，輸出為低電平。元件時，輸出為低電平。 （一）工作原理（一）工作原理 2021-7-1224 在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機 械系統中的一個齒輪，將線性型霍耳器件及磁路系統械系統中的一個齒輪，將線性型霍耳器件及磁路系統

16、 靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而 周期性地變化，霍耳器件輸出的微小脈沖信號經隔直、周期性地變化，霍耳器件輸出的微小脈沖信號經隔直、 放大、整形后可以確定被測物的轉速。放大、整形后可以確定被測物的轉速。 S S N N 線性霍耳線性霍耳 磁鐵磁鐵 （二）實際應用（二）實際應用 2021-7-1225 霍耳轉速傳感器在汽車防抱死裝置（霍耳轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS） 中的應用中的應用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。 用霍耳轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態有助用霍耳轉速傳感器來檢測車輪的

17、轉動狀態有助 于控制剎車力的大小。于控制剎車力的大小。 帶有微帶有微 型磁鐵型磁鐵 的霍耳的霍耳 傳感器傳感器 鋼質鋼質 霍耳霍耳 2021-7-1226 霍耳式無刷電動機霍耳式無刷電動機 霍耳式無刷電動機取消了換霍耳式無刷電動機取消了換 向器和電刷，采用霍耳元件來檢向器和電刷，采用霍耳元件來檢 測轉子和定子之間的相對位置，測轉子和定子之間的相對位置， 其輸出信號經放大、整形后觸發其輸出信號經放大、整形后觸發 電子線路，從而控制電樞電流的電子線路，從而控制電樞電流的 換向，維持電動機的正常運轉。換向，維持電動機的正常運轉。 由于無刷電動機不產生電火花及由于無刷電動機不產生電火花及 電刷磨損等問

18、題，所以它在電刷磨損等問題，所以它在錄像錄像 機、機、CD唱機唱機、光驅等家用電器中、光驅等家用電器中 得到越來越廣泛的應用。得到越來越廣泛的應用。 普通直流電動機使普通直流電動機使 用的電刷和換向器用的電刷和換向器 霍耳式無刷電動機霍耳式無刷電動機 2021-7-1227 無刷電動機在電動自行車上的應用無刷電動機在電動自行車上的應用 電動自行車電動自行車 可充電電池組可充電電池組 無刷電動機無刷電動機 2021-7-1228 電動自行車的電動自行車的無刷電動機及控制電路無刷電動機及控制電路 去速度去速度 控制器控制器 利用利用 PWM調速調速 2021-7-1229 霍耳式接近開關霍耳式接近

19、開關 當磁鐵的有效磁極接當磁鐵的有效磁極接 近、并達到動作距離時，近、并達到動作距離時， 霍耳式接近開關動作?；艋舳浇咏_關動作。霍 耳接近開關一般還配一塊耳接近開關一般還配一塊 釹鐵硼磁鐵。釹鐵硼磁鐵。 2021-7-1230 霍耳式接近開關用于轉速測量演示霍耳式接近開關用于轉速測量演示 軟鐵分流翼片軟鐵分流翼片 開關型霍耳開關型霍耳IC IC 2021-7-1231 霍耳電流傳感器霍耳電流傳感器 將被測電流的 將被測電流的 導線穿過霍耳電流導線穿過霍耳電流 傳感器的檢測孔。傳感器的檢測孔。 當有電流通過導線當有電流通過導線 時，在導線周圍將時，在導線周圍將 產生磁場，磁力線產生磁場，磁力

20、線 集中在鐵心內，并集中在鐵心內，并 在鐵心的缺口處穿在鐵心的缺口處穿 過霍耳元件，從而過霍耳元件，從而 產生與電流成正比產生與電流成正比 的霍耳電壓。的霍耳電壓。 2021-7-1232 霍耳電流傳感器演示霍耳電流傳感器演示 鐵心鐵心 線性霍耳線性霍耳IC EH=KH IB 2021-7-1233 霍耳鉗形電流表（交直流兩用）霍耳鉗形電流表（交直流兩用） 壓舌壓舌 豁口豁口 2021-7-1234 1. 什么是霍耳效應？什么是磁阻效應？什么 是形狀效應？ 2. 列舉至少五種霍耳傳感器的具體應用。 3. 請參考開關輸出型霍耳集成傳感器構成的 接口電路，自行設計一個照明控制電路，畫 出具體電路并用文字說明所設計系統的具 體工作過程。 本章作業本章作業 2021-7-1235 作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍耳電 勢也就越高?；舳妱軪H可用下式表示： EH=RH JB 磁感應強度磁感應強度B B較大時的情況較大時的情況 2021-7-1236 AB C D R1R2 R3R4 (d)等效電路 霍耳元件基本結構：霍耳元件基本結構： 4.3 4.3 霍耳元件霍耳元件 (a)外形結構示意圖(b)圖形符號 單端輸出 雙端輸