第二章 磁敏传感器

第一节 质子旋进式磁敏传感器 第二节 光泵式磁敏传感器 第三节 SQUID 磁敏传感器 第四节 磁通门式磁敏传感器 第五节 感应式磁敏传感器 第六节 半导体磁敏传感器 第七节 机械式磁敏传感器

磁敏传感器是对磁场参量 (B,H,φ) 敏感的元器件或装置 , 具有把磁学物理量转换为电信号的功能。

灵敏度极高：可达 10-15T ，比灵敏度较高的光泵式磁敏传感器要高出几个数量级；

第三节 SQUID 磁敏传感器SQUID 磁敏传感器是一种新型的灵敏度极高的磁敏传感器，是以约瑟夫逊（ Jose Phson ）效应为理论基础，用超导材料制成的，在超导状态下检测外磁场变化的一种新型磁测装置。

特点

频带宽：响应频率可从零响应到几 kHz 。

测量范围宽：可从零场测量到几 kT ；

深部地球物理：用带有 SQUID 磁敏传感器的大地电磁测深仪进行大地电磁测深，效果甚好。在古地磁考古、测井、重力勘探及预报天然地震中， SQUID 也具有重要作用。在生物医学方面，应用 SQUID 磁测仪器可测量心磁图、脑磁图等，从而出现了神经磁学、脑磁学等新兴学科，为医学研究开辟了新的领域。在固体物理、生物物理、宇宙空间的研究中， SQUID可用来测量极微弱的磁场，如美国国家航空宇航局用 SQUID 磁测仪器测量了阿波罗飞行器带回的月球样品的磁矩。SQUID 技术还可用作电流计，电压标准，计算机中存储器，通讯电缆等；在超导电机、超导输电、超导磁流体发电、超导磁悬浮列车等方面，均得到广泛应用。

应用领域

超导电性：在某一温度 TC 以下电阻值突然消失的现象。

（ a）

ρ

T/K0

T/K

ρ

0

ρ0Kρ0

TC （ b ）电阻随温度变化曲线

a 、正常导体； b 、超导体

一、 SQUID 磁敏传感器的基本原理

超导体：具有超导电性的物体。

临界温度 (TC) ：超导体从具有一定电阻值的正常态转变为电阻值突然为零时所对应的温度 , 其值一般从 3.4K 至18K超导体特性：理想导电性；完全逆磁性；磁通量子化。

S S

N N

H H

（ c ）（ b ）（ a）

（ a ） T ＞ Tc H ≠ 0

（ b ） T ＜ TC

H ≠ 0

（ c ） T ＜ TC

H = 0

理想导电性实验

1 、理想导电性——零电阻特性

若将一超导环置于外磁场中，然后使其降温至临界温度以下，再撤掉外加磁场，此时发现超导环内有一感生电流 I ，超导环内无电阻消耗能量，此电流将永远维持下去 ，因无电阻。

（ a ） （ b ）迈斯纳效应示意图

（ a ）正常态时，超导体内部磁场分布（ b ）在超导态时，超导体内部磁场分布

2、完全逆磁性，迈斯纳 (Meissner) 效应， 或排磁效应

超导体不管在有无外磁场存在情况下，一旦进入超导状态，其内部磁场均为零，即磁场不能进入超导体内部而具有排磁性，亦称之为迈斯纳效应。

根据迈斯纳效应，把磁体放在超导盘上方，或在超导环上方放一超导球时， 图 (a) 中超导盘和磁铁之间有排斥力，能把磁铁浮在超导盘的上面；图 (b) 中由于超导球有磁屏蔽作用，其结果可使超导球悬浮起来。这种现象称为磁悬浮现象。

N S

超导球

磁导盘

（ a ） （ b）

磁悬浮现象示意图

假定有一中空圆筒形超导体 ( 如图 )并 按下列步骤进行：(1) 常态让磁场 H穿过圆筒的中空部分。(2) 超导态筒的中空部分有磁场。

3 、 磁通量子化

感生电流

H≠0 T<TC

冻结磁通示意图

(3) 超导态撤掉磁场 H ，圆筒的中空部分仍有磁场，并使磁场保持不变。称为冻结磁通现象。超导圆筒在超导态时，中空部分的磁通量是量子化的，并且只能取 φ0 的整数倍，而不能取任何别的值。

Wbe

h 150 1007.2

2

h—普郎克常数， e —电子电量，φ0—磁通量量子，磁通量自然单位

中空部分通过的总磁通量 01 n

该图是两块超导体中间隔着一厚度仅 10～ 30Å 的绝缘介质层而形成的 “超导体—绝缘层—超导体”的结构，通常称这种结构为超导隧道结，也称约瑟夫逊

结。中间的薄层区域称为结区。这种超导隧道结具有特殊而有用的性质。 超导电子能通过绝缘介质层，表现为电流能够无阻挡地流过，表明夹在两超导体之间的绝缘层很薄且具有超导性。约瑟夫逊结能够通过很小超导电流的现象，称为超导隧道结的约瑟夫逊效应，也称直流约瑟夫逊效应。超导结在直流电压作用下可产生交变电流，从而辐射和吸收电磁波。这种特性称为交流约瑟夫逊效应。

绝缘层

超导体 超导体

超导结示意图

4 、约瑟夫逊效应

直流约瑟夫逊效应表明，超导隧道结的介质层具有超导体的一些性质，但不能认为它是临界电流很小的超导体，它还有一般超导体所没有的性质。

实验证明，当结区两端加上直流电压时，结区会出现高频的正弦电流，其频率正比于所加的直流电压，即

f = KV

式中 K=2e/h=483.61012Hz/V 。

根据电动力学理论高频电流会从结区向外辐射电磁波。

可见，超导隧道结在直流电压作用下，产生交变电流，辐射和吸收电磁波，这种特性即交流约瑟夫逊效应。

约瑟夫逊的直流效应受着磁场的影响。而临界电流IC 对磁场亦很敏感，即随着磁场的加大临界电流 IC逐渐变小，如图所示。

超导结的 Ic-H 曲线0 1 2 3 4 5 6

20

10

H

Ф=0

Ic

5 、 IC—H 特性

根据量子力学理论，超导结允许通过的最大超导电流 Imax与φ的关系式

φ——沿介质层及其两侧超导体边缘透入超导结的磁通量；φ0—— 磁通量子；IC(0)——没有外磁场作用时，超导结的临界电流。

0

0

sin

)0()( CC II

IC 是的 φ周期函数

超导结临界电流随外加磁场而周期起伏变化的原理 ,完全可用于测量磁场中。例如 , 若在超导结的两端接上电源 , 电压表无显示时 , 电流表所显示的电流是为超导电流 ;电压表开始有电压显示时 ,则电流表所显示的电流为临界电流 IC, 此时 , 加入外磁场后 , 临界电流将有周期性的起伏 ,且其极大值逐渐衰减 ,振荡的次数 n乘以磁通量子φ0, 可得到透入超导结的磁通量 φ=nφ0 。而磁通量和磁场H 成正比关系 , 如果能求出 φ, 磁场 H即可求出。同理 ,若外磁场 H 有变化 ,则磁通量亦随变化 , 在此变化过程中 , 临界电流的振荡次数 n乘以 φ0即得到磁通量的大小 ,亦反映了外磁场变化的大小。因而 , 可利用超导技术测定外磁场的大小及其变化。

临界电流随外磁场周期起伏变化，这是由于在一定磁场作用下，超导结各点的超导电流具有确定的相位。相位相反的电流互相抵消；相位相同的电流互相迭加。 测磁原理

Tm

mT

dL4

211

2150 102

101

102

测量外磁场的灵敏度与测定振荡的次数 n 的精度及 φ的大小有关。设 n 可测准至一个周期的 1/100，则测得最小的变化量应为 φ0/100=2×10-15T·m2 。若假设磁场在超导结上的透入面积为 L·d (L是超导结的宽度，一般为 0.lmm左右； d是磁场在介质层及其两侧超导体中透入的深度 ) ，则对 Sn—SnO—Sn结来说，锡的穿透深度 λ=500Å，亦即d=2λ=1000Å。则， L·d ＝ 1×10-11

m2 ，这里临界电流的起伏周期是磁通量子φ0,φ0=2×10-15T·m2, 对于透入面积 L·d为 1×10-11m2 的锡结而言，临界电流的起伏周期是：

二、 SQUID 磁敏传感器的构成类型

超导量子干涉器（ SQUID ）是指由超导隧道结和超导体组成的闭合环路。其临界电流是环路中外磁通量的周期函数；其周期则为磁通量子 φ0 ，它具有宏观干涉现象。通常，人们称这样的超导环路为超导量子干涉器件。

射频超导量子干涉器（ RF SQUID ）直流超导量子干涉器（ DC SQUID ）

超导量子干涉器件有两种类型：

CTRT

RF振荡器

（一） RF SQUID

射频超导量子干涉器含有一个超导隧道结的超导环，在超导环中存在超导量子干涉效应。测量时，采用射频电流进行偏置，其构成形式如图所示。

超导环

偏置的目的是使超导结周期地达到临界状态 , 使环外磁通以量子化的形式进入环内，从而在超导环内的超导电流产生周期变化，这样在结上产生周期电动势，实现磁测。

采用交流偏置 , 将一射频磁场耦合到超导环上，在外磁通作用下 , 测量超导结产生电动势。

+－

输入线圈

RF 线圈铌圆柱

压板铌碗

隧道结

铌柱

输入线圈RF 线圈

(a)

(b)

(c)

(d) (e) (f)

铌膜微桥

RF SQUID结构图

IA IB

C1

C2

1

2

A B

I

DC SQUID构成示意图

（二） DC SQUID直流超导量子干涉器（ DC SQUID ）是在一块超导体上由两个超导隧道结而构成的超导环。超导环中存在超导量子干涉效应，测量时用直流电流进行偏置，如图所示。

E

铌螺钉

聚酯膜

铌圆柱体

微桥

铅膜条

铌膜条

石英管

铅铟合金膜

隧道脂

金属条铌膜条

T形铅膜

(a)

(b)

(c)

DC SQUID 结构图

应用超导量子干涉器检测磁通量变化时，除经常使用的锁相放大技术外，还采用

超导磁通变换器方法

零磁通法

零电流方法

三、 SQUID 磁敏传感器的检测方法

×L1

↑至放大器

L2

L 环

同轴线

超导磁通变换器示意图

利用磁通变换器可以提高测量磁场及测量磁场梯度的灵敏度，同时还可以完成其它一些有关磁的测量，如测定物质的磁化率等。

（一）超导磁通变换器方法 超导磁通变换器由 SQUID 加上两个互相连接的线圈构成，如图所示。图中的 L 环是超导环的电感， L2 是与超导环相耦合的线圈电感， L1 是与外磁通相耦合，且与 L2相连的线圈电感。

音频振荡器

射频振荡器 相敏检波器放大器

积分器Vf

Rf

CTLT

(a)

音频振荡器

放大器

Vf

Rf

LT

CT

调制线圈

（ b ）

积分器

相敏检波器

（二）零磁通法

谐振线圈

超导环

超导环

（三）零电流法采用反馈方式，反馈电流不是加到直接与超导环耦合的线圈上，而是加到与磁通变换器附加线圈 Lf相耦合的反馈线圈上，如图所示。

LT

CT

VfRf

Li

Lf

Lp

电子线路

Mi

反馈线圈

探测线圈

输入线圈

磁通变换器中的电流为零；在探测线圈附近的磁场畸变不大。

优点：

超导环

超导核磁共振仪，超导核磁共振磁力仪超导核磁共振测井仪

四、 SQUID 磁敏传感器的应用

磁测量 超导磁力仪，超导磁力梯度仪 超导岩石磁力仪，超导磁化率仪

电测量 超导检流计，超导微伏计，超导电位计

重力测量 超导重力仪，超导加速仪 超导重力梯度仪

超导辐射检测器辐射测量

磁共振测量

磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。 利用某些高导磁率的软磁性材料（如坡莫合金）作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。

第四节 磁通门式磁敏传感器

最大特点：适合在零磁场附近工作的弱磁场进行测量。传感器可作成体积小，重量轻、功耗低，既可测纵向向量 T 、垂直向量 Z ，也可测 ΔT 、 ΔZ ，不受磁场梯度影响，测量的灵敏度可达 0.01nT ，且可和磁秤混合使用组成磁测仪器。应用：航空、地面、测井等方面的磁法勘探，在军事上，也可用于寻找地下武器（炮弹、地雷等）和反潜。还可用于预报天然地震及空间磁测等。

一、磁通门式磁敏传感器的物理基础

磁饱和现象饱和磁感应强度 Bs

饱和磁场强度 Hs

（一）磁滞回线和磁饱和现象

B

A

HsHcF

Br

-Hc

E-Br

D

C

静态磁滞回线示意图

Bs

HO

B磁滞现象：磁感应强度的变化滞后于磁场 H 的变化最大剩磁 BrBr, Bs ， Hs 及矫顽力 Hc 是磁性材料的四个重要参数。

磁通门传感器使用软磁性材料。

动态导磁率dH

dBd

定义：物体在磁场中被磁化后，在磁化方向上会产生伸长或缩短现象。

几种磁性材料的伸缩系数

30

20

10

0

-10

-20-30

Δl/

l

Fe

Co

Ni

0 10 20 30 40

H/10-4T

45 坡莫合金

（二）磁致伸缩现象

饱和磁致伸缩系数

ll

s

内容：不论何种原因使通过一回路所包围面积内的磁通量 φ 发生变化时，回路上产生的感应电动势 E与磁通随时间 t 的变化率的负值成正比。

dt

dkE

（三）法拉第电磁感应定律

式中 k—— 比例系数。

圆形磁芯跑道形磁芯长方形磁芯

闭合式磁芯

长条形双磁芯长条形单磁芯

非闭合式磁芯

磁芯

从这几种磁芯的性能来说，以圆形较好，跑道形次之。在磁场的分量测量中，用跑道形磁芯较多。

磁通门传感器的磁芯几何形状

二、磁通门式磁敏传感器的二次谐波法测磁原理

1. 长轴状跑道形磁芯41

3

2f

f

2

跑道型磁芯机构示意图1 — 灵敏元件架； 2—初级线圈3— 输出线圈； 4—坡莫合金环

如图所示，一般沿长轴方向的尺寸远大于短轴方向的尺寸，故当沿长轴方向磁化时，要比沿短轴方向磁化时的退磁作用及退磁系数小得多。这样，就可以认为跑道形磁芯仅被沿长轴方向的磁场所磁化。在实践中，也仅测量沿长轴方向的磁场分量。

L1L2

LS

H1=2Hmsinωt

H2=-2Hmsinωt

H

He

-Hs

Bm

(a)

（ b）

θ = ωt

H2

H1

H

θ =ωt

e1

e2

E

（ d）

H θ=ωt

BB1

B2（ c）

图 2.4-4 传感器测磁原理示意图

B

tHHHHH

tHHHHH

mee

mee

sin2

sin2

~22

~11

tHHB

tHHB

med

med

sin2

sin2

2

1

s

med

s

B

HH

B

sin21B

2

2

1

12

2

2B

s

med

s

B

HH

B

sin2

2

2

2

21

1

1E

0

cos102

08 SH sm

2E

0

cos102

08 SH sm

2

2

1

12

2

2

2

2

21

1

0

cos102

0

cos102

0

8

8

SH

SH

E

sm

sm

S

E s 是属周期性的重复脉冲，故可用富氏分解法计算 Es

的二次谐波分量

2

2

2

21

11

12

2

由分段函数组式可知， Es 是一奇函数。富氏分解中的余弦项的系数 an=0 ， a2=0 。计算富氏分解中正弦项的系数 b2 ：

2. 富氏分解法

tHH

HfSnE e

m

ssdS 2sin1016 8

输入波带通滤波器 放大器

相敏检波器 积分器

地磁补偿稳流器

-9V稳压器

+9V稳压器

低通滤波器

-9V输入

+9V输入

0-5V电压表

反馈电阻

W1

W2

W3

选频功放 二分频 延时器 二分频电子温度计与温度补偿

电子温度计与温度补偿

W4

图 2.4-5 CCM-1 型磁通门磁力仪方框图

感应式磁敏传感器是以天然场或人工场为场源，根据法拉第电磁感应原理，采用某些特殊技术研制成的测磁装置，可用于测量交变场中磁场变化率。

第五节 感应式磁敏传感器

一、感应式磁敏传感器的物理基础

dt

d nn

法拉第电磁感应定律

× × × × × × × ×

× × × × × × × ×

屏蔽铜箔 铝管铝盖

输出磁芯线圈

图 2.5-4 长螺旋管式传感器构成示意图

交变场

薄板状良导体内感应电流示意图

R

交变场示意图

T

发射机 T ，向发射线圈供给交变电流，它在线圈周围则建立起交变电磁场，称为一次场。如果地下有良导矿体存在，则矿体被一次场所激发而在矿体内产生感应电流，这是一种涡旋电流（涡流），此涡流在空间也产生交变磁场向周围发射，这种场称为二次场或异常场。

一、霍耳磁敏传感器

二、磁敏二极管和磁敏三极管

三、磁敏电阻

第六节 半导体磁敏传感器

一、霍耳磁敏传感器 （一）霍耳效应

通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。

+

I

+ + + + +

++

+ +

++

－－－－－－

Ｂ

l

w

d

霍耳效应原理图

VH

（二）霍耳磁敏传感器工作原理 设霍耳片的长度为 l ，宽度为 w ，厚度为 d 。又设电子以均匀的速度 v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度 B 的作用下，它受到洛仑兹力

q— 电子电量 (1.62×10-19C) ； v— 电于运动速度。同时，作用于电子的电场力

qvBf L

wqVqEf HHE /

wqVqvB H /当达到动态平衡时

dnqvwdjwI dnqwIv /

pqdIBVH /

霍耳电势 VH与 I 、 B 的乘积成正比，而与 d 成反比。于是可改写成：

d

IBRV HH

HR

电流密度j=nqv

n—N型半导体中的电子浓

度N型半导

体P 型半导

体

—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。 ρ—材料电阻率

p—P 型半导体中的孔穴浓

度

型）（

型）（

Pqp

R

Nqn

R

H

H

1

1

μ—载流子迁移率 ,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子 μ很高但ρ很小，绝缘材料， ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。

设 KH=RH / d

KH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度 B 的方向与霍耳器件的平面法线夹角为 θ 时，霍耳电势应为：

VH＝ KH I

B

VH＝ KH I B cosθ

注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。

霍耳器件片(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

（三）霍耳磁敏传感器（霍耳器件）

d

s

l

（ b ）

2.1

5.42.

7A B

0.2 0.50.3

C

D

（ a ）

w

电流极霍耳电极

R4

A B

C

DR1 R2

R3R4

（ c ）

霍耳输出端的端子 C 、 D相应地称为霍耳端或输出端。

若霍耳端子间连接负载 ,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。

电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。

霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。

器件电流 (控制电流或输入电流 ): 流入到器件内的电流。

电流端子 A 、 B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。

H

图 2.6-4 霍耳器件符号

A A AB B B

C C C

D D D

关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。

控制电流 I ；霍耳电势 VH ；控制电压 V ；输出电阻 R2 ；输入电阻 R1 ；霍耳负载电阻 R3 ；霍耳电流 IH 。 图中控制电流 I由电源 E供给 ,R 为调节电阻 ,保证器件

内所需控制电流 I 。霍耳输出端接负载 R3,R3 可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场 B垂直通过霍耳器件 , 在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。

VHR3

VBI

E

IH

霍耳器件的基本电路

R

实际使用时 , 器件输入信号可以是 I 或 B，或者 IB, 而输出可以正比于 I 或 B, 或者正比于其乘积 IB。

IKBId

RV I

HH

VKVR

KBV

dR

RV V

HH 1

1

1

1

上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。

同样，若给出控制电压 V，由于 V=R1I ，可得控制电压和霍耳电势的关系式

设霍耳片厚度 d均匀，电流 I和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流 I和霍耳电势 VH 的关系式

（四）、基本特性 1 、直线性：指霍耳器件的输出电势 VH分别和基本参数 I 、 V 、 B之间呈线性关系。

VH=KHBI

2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：

KH——乘积灵敏度，表示霍耳电势 VH与磁感应强度B和控制电流 I乘积之间的比值，通常以mV/(mA·0.1T) 。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定 ,故称为乘积灵敏度。

KB—— 磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。

KI—— 电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。

若控制电流值固定，则：VH＝ KBB

若磁场值固定，则：

VH＝ KI I

3 、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4 、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻 R2

等于霍耳负载电阻 R3 时，霍耳输出功率为最大。

22

max 4/ RVP HO 5、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：

12

22

maxmax

4/

RI

RV

P

P H

in

O

6 、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。

80

60

40

20

00.2 0.4 0.6 0.8 1.0

VH/m

Vλ=∞

λ=7.0

λ=1.5

λ=3.0

B/T

理论值

实际值

VHR3I

霍耳电势的负载特性

λ=R3/R2

霍耳电势随负载电阻值而改变的情况

7 、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。

霍耳材料的温度特征（ a ） RH与温度的关系；（ b ） ρ与温度的关

系

RH/cm2/ A℃﹒ -1

25020015010050

40 80 120 160 200

LnSb

LnAs

T/℃0

2

4

6

ρ/7×10-3Ω·cm

LnAs

20015010050

LnSb

T/℃0

双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。

8 、频率特性磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到 10kHz 时交流输出还与直流情况相同。因此 ,霍耳器件可用于微波范围 , 其输出不受频率影响。 磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数 ( 特别是气隙宽度 ) 等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十 kHz 时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数 MHz 时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。

霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。

（五） 霍耳开关集成传感器

由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。

1 ．霍耳开关集成传感器的结构及工作原理

霍耳开关集成传感器内部结构框图2

3输出

+

－

稳压

VCC1

霍耳元件 放大

BT

整形

地

H

3020T输出Vout

R=2kΩ

+12V

1

23

（ b ）应用电路 （ a ）外型

霍耳开关集成传感器的外型及应用电路

1 2 3

2 ．霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞 BH ，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的 BOP

为工作点“开”的磁感应强度， BRP 为释放点“关”的磁感应强度。

霍耳开关集成传感器的工作特性曲线

VOUT/V

12ON

OFF

BRPBOP

BH B

霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。

0

该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于 BOP 时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于 BRP 时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。

3 ．霍耳开关集成传感器的应用

（ 1 ）霍耳开关集成传感器的接口电路

RL

VACVccVcc

VAC

VccVAC

K

Vcc

K

VccVAC

Vcc

MOSVOUT

VAC

霍耳开关集成传感器的一般接口电路

VAC

RL

①磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，

霍耳开关集成传感器的 L1-B关系曲线

NS

AlNiCo 磁铁 Ф6.4×32

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

02.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

距离 L1/mm

B/T

L1

随磁铁与传感器的间隔距离的增加 , 作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时 , 传感器开关接通 , 而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时 , 如果磁铁已选定 ,则应按具体的应用场合 , 对作用距离作合适的选择。

（ 2）给传感器施加磁场的方式

②磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过。

霍耳开关集成传感器的 L2-B关系曲线

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

B/T

NS

空隙 2.05

AlNiCo 磁铁Ф6.4×32

L2

距离 L2/mm

③采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。

S

N

磁力集中器传感器

磁铁

磁力集中器安装示意图

S

N

磁力集中器

传感器

磁铁

铁底盘

在磁铁上安装铁底盘示意图

S

N

磁铁

磁力集中器

传感器

带有磁力集中器的移动激励方式示意图

磁 感 应 强 度 B/T

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0 2.5 5 7.5 10磁铁与中心线的距离 L2/mm

B-L2曲线的对比图

(a) 加磁力集中器的移动激励方式 ④激励磁场应用实例

(b)推拉式 两个磁铁的 S 极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。

N S S N

传感器图 2.6-20 推拉式激励磁场示意图

图 2.6-21 推拉式 L1-B关系曲线距离 L1/mm

B/T

0.05

-0.05

0

-10 -5 0 5 10 15-15

注意：磁铁 S 极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁 S 极的激励作用。

(c)双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的 S 极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的 N 极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。

传感器滑近

S

N

N

S

图 2.6-22 双磁铁滑近式结构示意图

(d)翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，传感器被关断。

图 2.6-23 翼片遮挡器的形状片状 筒状

霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等

(e) 偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的 N 极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。

4.霍耳开关集成传感器的应用领域

1．霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时 ,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压 , 经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍耳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。霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。

（六）霍耳线性集成传感器

单端输出传感器的电路结构框图2

3输出+

－

稳压

VCC1

霍耳元件 放大

地

H

稳压

H

3VCC

地4

输出

输出

1

86 7 5

双端输出传感器的电路结构框图

单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是 SL3501T 。

双端输出的传感器是一个 8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是 SL3501M 。

2 ．霍耳线性集成传感器的主要技术特性 (1)

传感器的输出特性如下图：

磁感应强度 B/T

5.6

4.6

3.6

2.6

1.6

-0.3 -0.2 -0.1

0 0.1 0.2 0.3

输 出 电 压 U/

V

SL3501T 传感器的输出特性曲线

2 ．霍耳线性集成传感器的主要技术特性 (2)

传感器的输出特性如下图： 2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24

输 出 电 压 U/

V

磁感应强度 B/T

SL3501M 传感器的输出特性曲线

00.28 0.32

R=0R=15Ω

R=100 Ω

（七）霍耳磁敏传感器的应用

利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。

利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。

利用霍耳传感器制作的仪器优点：

(1) 体积小，结构简单、坚固耐用。

(2) 无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。

(3) 装置性能稳定，寿命长，可靠性高。

(4) 频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。

(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。

测量磁场的大小和方向

电位差计

mA

E

S

N

R

图 2.6-24 霍耳磁敏传感器测磁原理示意图

磁方向图

西90o

东

0o

北

南180o

φ

270o

磁通集束器图中 Li 为集束器的总长度， La 为集束器中部的空隙距离，霍耳器件磁通密度 Ba 比外部磁通密度 B0 约增强 Li/La倍。

图为均匀磁场中使用集束器 ( 实线 )和不使用磁集束器 ( 用虚线表示 ) 时的磁方向图

ER

VH

B0

La

Ba

Li

磁通集束器原理图

21材料 温度(K)

RH

InSb 78 46 0.05 27 110

InAs 78 7.5 0.009 650 6.8

Si 78 1 50.0 50 70

410

410

410

310

310 310

310

310

表 2.6-2 几种导体材料在低温下的性能

二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。

（一）磁敏二极管的工作原理和主要特性 1 ．磁敏二极管的结构与工作原理

（ 1 ）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管 PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的 PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用 ρ=40Ω·cm左右的 P型或 N型单晶做基区 (锗本征半导体的 ρ=50Ω·cm) ，在它的两端有 P 型和 N型锗，并引出，若 γ代表长基区，则其 PN结实际上是由 Pγ结和 Nγ结共同组成。以 2ACM—1A 为例，磁敏二级管的结构是 P+—i—N+ 型。

+

（ b）

磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构 ; (b) 电路符号

H+

H-

N+区

p+区

i区r区

电流

（ a）

在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的 P 型和 N型两个区域，并在本征区（ i）区的一个侧面上，设置高复合区 (r区 ) ，而与 r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。

P N

P N

P N

H=0

H+

H-

→→→

←←← 电流

电流

电流

（ a）

（ b）

（ c）

磁敏二极管的工作原理示意图

流过二极管的电流也在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极管会有这种特性呢 ? 下面作一下分析。

（ 2）磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的 P区接电源正极， N区接电源负极即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，

i

i

i

电子孔穴

复合区

结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若 r区和 r

区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。

磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。

2 ．磁敏二极管的主要特征（ 1 ）伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端

正向偏压和通过它的电流的关系曲线。

-0.2

2

1 3 5 7 9 U/V

I/m

A

0

0.2T0.15T0.1T

0.05T-0.05T

（ a ）

5

3

1

I/m

A

4 6 8 10 U/V

-0.3 -0.2 -0.1 0

0.1 0.2

0.30.4

（ b ）

5

3

1

I/m

A

4 8 12 16 U/V

-0.1 00.1

0.40.3

0.2

-0.3

（ c ）图 2.6-29 磁敏二极管伏安特性曲线

（ a ）锗磁敏二极管（ b ）、（ c ）硅二极管

-0.1T-0.15T-0.2T

0

0 0

由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式。一种如图 2.6-29 （ b ）所示，开始在较大偏压范围内，电流变化比较平坦，随外加偏压的增加，电流逐渐增加；此后，伏安特性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。另一种如图 2.6-29(c) 所示。硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象，即电流急增的同时，有偏压突然跌落的现象。

产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少，且注入的载流子未填满复合中心之前，不会产生较大的电流，当填满复合中心之后，电流才开始急增之故。

（ 2 ）磁电特性 在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系，叫做磁敏二极管的磁电特性。

图 2.6-30 磁敏二极管的磁电特性曲线（ a ）单个使用时（ b ）互补使用时

B / 0.1T1.0 2.0 3.0-1.0-2.0

0.40.81.21.62.0

-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0

B / 0.1T

2.0-1.0-2.0

0.4

0.81.21.62.0

-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0

1.0

 3kΩR

EE=12V（ 18V）

Td=20℃

（a）

（ b）

ΔU

/V

ΔU

/V

图 2.6-30给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。

（ 3 ）温度特性 温度特性是指在标准测试条件下，输出电压变化量 （或无磁场作用时中点电压 ）随温度变化的规律，如图所示。

muuΔ

U/V

T/℃0 20 40

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0E=6VB = 0.1T

8060-20I/

mA

-5

-4

-3

-2

-1I

图 2.6-31 磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时 )

ΔU

由图可见，磁敏二极管受温度的影响较大。反映磁敏二极管的温度特性好坏，也可用温度系数来表示。硅磁敏二极管在标准测试条件下， u0 的温度系数小于＋ 20mV／℃， 的温度系数小于 0.6%/℃。而锗磁敏二极管 u0 的温度系数小于 -60mV／℃， 的温度系数小于 1.5%/℃。所以，规定硅管的使用温度为 -40～＋ 85℃，而锗管则现定为 -40～＋ 65℃。

u

u

（ 4 ）频率特性 硅磁敏二极管的响应时间，几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间。所以，频率响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于 1 ，即响应频率高达 1MHz 。锗磁敏二极管的响应频率小于 10kHz 。

s

dB

0.1

-12-9-6-3

0

1010.01

图 2.6-32 锗磁敏三极管频率特性f/kHz

%1000

0

u

uuh B

u

%1000

0

I

IIh B

i

(2.6-26)

(2.6-27)

5）磁灵敏度

磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：

（ a） 在恒流条件下，偏压随磁场而变化的电压相对磁灵敏度（ hu），即：

u 0—磁场强度为零时，二极管两端的电压； u B—磁场强度为 B时，二极管两端的电压。

(b) 在恒压条件下，偏流随磁场变化的电流相对磁灵敏度（ hi），即：

(c)    在给定电压源 E和负载电阻 R 的条件下，电压相对磁灵敏度和电流相对磁灵敏度定义如下：

应特别注意，如果使用磁敏二极管时的情况和元件出厂的测试条件不一致时，应重新测试其灵敏度。

%1000

0

u

uuh B

Ru

%1000

0

I

IIh B

RI

（二）磁敏三极管的工作原理和主要特性 1 ．磁敏三极管的结构与原理 （ 1 ）磁敏三极管的结构 NPN 型磁敏三极管是在弱 P 型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结——即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元

图 2.6-33 NPN 型磁敏三极管的结构和符号a)结构 b)符号

r

N+

N+

c

e

H- H+

P+

b

c

e

b

a ） b ）

件 , 如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区 r 。长基区分为输运基区和复合基区两部。

i

（ 2）磁敏三极管的工作原理

N+ N+

N+

cc

c

y y

yee

e

r r

r x

xx

P+ P+

P+

b b

b

N+N+

N+

（ a）

（ b）

（ c）图 2.6-34 磁敏三极管工作原理示意图

(a)H=0; (b)H=H+;(c)H=H-

1-运输基区； 2-复合基区

1

2

当不受磁场作用如图 2.6-34(a) 时，由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极 c 外，大部分通过 e—i—b 而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数 =I

c／ Ib ＜ 1 。 当受到 H ＋磁场作用如图 2.6-34 （ b ）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。 当受 磁场使用如图 2.6-34(c) 时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。

H

/b=5mA

Ib=4mA

Ib=3mA

Ib=2mA

Ib=1mA

Ib=0mA

IC

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

02 4 6 8 10 VCE/V

/mA

VCE/V

Ib=3mA B-=－ 0.1T

Ib=3mA B=0

Ib=3mA B+=0.1T

2 4 6 8 10

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

IC /mA

图 2.6-35 磁敏三极管伏安特性曲线

2 ．磁敏三极管的主要特性 （ 1 ）伏安特性 图 2.6-35(b)给出了磁敏三极管在基极恒流条件下（ Ib=3mA ）、磁场为 0.1T 时的集电极电流的变化；图 2.6-35(a)则为不受磁场作用时磁敏三极管的伏安特性曲线。

（ 2 ）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性。 3BCM （ NPN 型）锗磁敏三极管的磁电特性曲线如图 2.6-36 所示。

B/0.1T

ΔIc/mA

0.50.40.30.20.1

1 52 3 4-1-2-3

图 2.6-36 3BCM 磁敏三极管电磁特性

由图可见，在弱磁场作用时，曲线近似于一条直线。

(3) 温度特性 磁敏三极管对温度也是敏感的。 3ACM 、 3BCM 磁敏三极管的温度系数为 0.8％／℃； 3CCM 磁敏三极管的温度系数为 -0 .6％／℃。 3BCM 的温度特性曲线如图 2 .6-37 所示。

图 2.6-37 3BCM 磁敏三极管的温度特性(a) 基极电源恒压 (b) 基极恒流

(a)-20 0 20 40

1.2

0.8

0.4 

1.6

60

B=0

B=－ 0.1T B=0.1T

T/℃

基极电源恒压Vb=5.7V

I C/m

A

基极恒流Ib=2mA

B=0

1.2

0.8

0.4

-20 0 20 40

1.6

80

B=－ 0.1T

B=0.1T T/℃

(b)I C

/mA

温度系数有两种：一种是静态集电极电流 Ic0

的温度系数；一种是磁灵敏度 的温度系数。 在使用温度 t1～ t2范围 Ic0 的改变量与常温

（比如 25℃）时的 Ic0之比，平均每度的相对变化量被定义为 Ic0 的温度系数 Ic0CT ，即：

同样，在使用温度 t1～ t2范围内， 的改变量与 25℃时的 值之比，平均每度的相对变化量被定义为 的温度系数 ：

h

hh

h

(2.6-30) %10025

)(

120

10200

ttCI

tItII

c

ccCTc

%100

)25( 12

12

ttCh

ththh CT

CTh

对于 3BCM 磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时） Ib0 的大小决定。当 Ib0>4mA 时，此无灵敏度温度点处于 +40℃左右。 当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。 因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当 Ib0=2mA 时，此温度点可达 50℃左右。但另一方面，若 Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。

（ 5 ）磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度 和负向灵敏度 两种。其定义如下：

式中 —受正向磁场 B+ 作用时的集电极电流； —受反向磁场 B- 作用时的集电极电流； —不受磁场作用时，在给定基流情况下

的集电极输出电流。

h h

TI

IIh

c

ccB 1.0/%1000

0

cBI

cBI

0cI

（ 4 ）频率特性 3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为 10kHz 。

(2.6-32)

（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。 利用磁敏管可以作成磁场探测仪器—如高斯计、漏磁测量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量 10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。 此外 ,利用磁敏管还可制成转速传感器 ( 能测高达每分钟数万转的转速 ), 无触点电位器和漏磁探伤仪等。

（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM 型锗磁敏三极管参数表

%1000

0

c

cBc

I

IIh

参 数 单

位测试条件

规范

A B C D E

磁灵敏度%

Ec=6V,

RL=100Ω,

Ib=2mA,

B= 0.1T

5~10 10~15 15~20 20~25 >25

击穿电压 BUcco V Ic=1.5mA 20 20 25 25 25

漏电流 Icc0 Vcs=6A ≤200 ≤200 ≤200 ≤200 ≤200

最大基极电流 mAEc=6V

RL=5kΩ 4

功耗 PcmmW   45

使用温度 ℃   -40~65℃

最高温度 ℃   75

mA

3CCM 型硅磁敏三极管参数表

A

%1000

0

c

cBc

I

IIh

参数 单 位 测试条件 规范

磁灵敏度%

Ec=6V

Ib=3mA

B= 0.1T

>5%

击穿电压 BUcco V Ic=10 ≥20V

漏电流 Icc0 Ice=6A ≤5

功耗 mW 

20mW

使用温度 ℃ 

-40~85℃

最高温度 ℃ 

100℃

温度系数 %/℃ 

-0.10~-0.25%/℃

A

三、磁敏电阻 是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件，也称MR 元件。它的理论基础为磁阻效应。

（一） 磁阻效应

若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。

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 ,它可表示为：

22

00

0 273.0 B

Ｂ——为磁感应强度；

ρ—— 材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率；

ρ0 —— 材料在磁感应强度为 0 时的电阻率；

μ——载流子的迁移率。

当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如 InSb ）中，则磁阻效应很强。

磁阻效应还与样品的形状、尺寸密切相关。这种与样品形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效应。

长方形磁阻器件只有在 L(长度 )<W （宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把 L<W 的扁平器件串联起来，就会零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。

图 2.6-38 （ a ）是没有栅格的情况，电流只在电极附近偏转，电阻增加很小。在 L>W长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍耳电势，这种栅格磁阻器件如图 2.6-38 （ b ）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁

L

W

B B

图 2.6-38 几何磁阻效应

II

（ a （ b

阻器件的灵敏度。

常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件。其内部有制作成半桥或全桥等多种形式。

1 灵敏度特性 磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示，即磁场——电阻特性的斜率。常用 K表示，单位为mV/mA.kG即 Ω.Kg 。在运算时常用 RB/R0

求得， R0表示无磁场情况下，磁阻元件的电阻值， RB 为在施加 0.3T 磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值，这种情况下，一般磁阻元件的灵敏度大于 2.7 。

（二） 磁阻元件的主要特性

2 磁场—电阻特性

磁阻元件磁场—电阻特性

N 级0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3

R/Ω

1000

500

S 级(a) S 、 N 级之间电阻特性

B/T

15RB

R010

5

温度 (25 )℃

弱磁场下呈平方特性变化

强场下呈直线特性变化

0

(b) 电阻变化率特性

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

B/T

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

在 0.1T 以下的弱磁场中，曲线呈现平方特性，而超过 0.1T 后呈现线性

变化

图 2.6-40 强磁磁阻元件电阻 - 磁场特性曲线

输 出 电 压 V

磁饱和点B=Bs

0

(b) 磁场—输出特性

H

图 2.6-40显示的是强磁磁阻元件的磁场——电阻特性曲线。

从图中可以看出它与图 2.6-39（ a ）曲线相反，即随着磁场的增加，电阻值减少。并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。一般电阻变化为百分之几。

3 电阻——温度特性 图 2.6-41 是一般半导体磁阻元件的电阻——温度特性曲线，从图中可以看出，半导体磁阻元件

1038

4

2102

4

210

6

-40 0 20 60 100

温度 /℃

电 阻 变 化 率 %

图 2.6-41 半导体元件电阻 - 温度特性曲线

的温度特性不好。图中的电阻值在 35℃的变化范围内减小了 1/2 。因此，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。

图 2.6-42 是强磁磁阻元件的电阻——温度特性曲线，图中给出了采用恒流、恒压供电方式时的温度特性。

130

100

50

电 阻 变 化 率 %

-30

BX10-4/T

电阻+3500ppm/℃

0

输出 ( 恒流工作 ) -500ppm/℃

输出 (恒压工作) -300ppm/℃

图 2.6-42 强磁阻元件电阻 - 磁场特性曲线

可以看出，采用恒压供电时，可以获得– 500ppm/℃的良好温度特性，而采用恒流供电时却高达 3500 ppm/℃。但是由于强磁磁阻元件为开关方式工作，因此常用恒压方式。

60

（三）磁敏电阻的应用

磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度 /角位移传感器、磁场传感器等。可用于开关电源、 UPS 、变频器、伺服马达驱动器、家庭网络智能化管理、电度表、电子仪器仪表、工业自动化、智能机器人、电梯、智能住宅、机床、工业设备、断路器、防爆电机保护器、家用电器、电子产品、电力自动化、医疗设备、机床、远程抄表、仪器、自动测量、地磁场的测量、探矿等。