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霍尔传感器·磁敏二极管·磁敏三极管的原理及应用物理与电子技术学院电子信息工程霍尔传感器的原理及应用一、传感器的概述信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。
微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。
随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。
传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。
二、霍尔传感器1、霍尔传感器的定义霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
2、霍尔传感器的分类按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
（1）线形电路：它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。
其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图1。
这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。
图1 霍尔线性电路的功能框图（2）开关电路：霍尔开关电路由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。
在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP 时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。
之后，B 再增加，仍保持导通态。
若外加磁场的B 值降低到BRP 时，输出管截止，输出高电平。
我们称BOP 为工作点，BRP 为释放点，BOP －BRP=BH 称为回差。
回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。
霍尔开关电路的功能框见图2。
图2(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。
它们的输出特性见图5，图5(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。
(a) 单OC 输出 (b)双OC 输出图2 霍尔开关电路的功能框图3、原理霍尔效应原理：将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场B ，沿X 方向通以工作电流I ，则在Y 方向产生出电动势H V ，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
目录摘要 (Ⅰ)关键词 (Ⅰ)1引言 (Ⅰ)1.1磁敏二极管的发展 (Ⅰ)1.2磁敏二极管的特性 (Ⅱ)1.2.1 (Ⅱ)1.2.2 (Ⅱ)1.2.3 (Ⅱ)2 磁敏元件工作原理 (Ⅱ)3几种常见的磁敏传感器 (Ⅱ)3.1霍尔传感器 (Ⅱ)3.2磁阻传感器 (Ⅱ)3.3磁敏传感器的发展特点 (Ⅲ)4方案设计 (Ⅲ)5单元电路设计、参数计算和器件选择 (Ⅴ)5.1单元电路设计 (Ⅴ)5.2温度补偿电路 (Ⅴ)5.3报警电路 (Ⅵ)5.4参数计算 (Ⅵ)5.5器件选择 (Ⅵ)6结论 (Ⅶ)致谢 (Ⅶ)参考文献 (Ⅶ)磁敏二极管漏磁探伤仪郭书亮重庆三峡学院机械工程学院机械设计制造及其自动化专业 09级重庆万州 404000摘要磁敏二极管是一种新型的磁电转换器件。
这种元件比霍尔元件的探测灵敏度高，且具有体积小、响应快、无触点、输出功率大及线性特性好的优点。
该器件在磁力探测、无触点开关、位移测量、裂纹探伤及其他各种自动化设备上得到了广泛的应用，而日益受到社会各方面的广泛关注。
磁敏传感器是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、镍及其它们的合金)，也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。
关键词磁敏二极管裂缝探伤仪1 引言磁敏二极管属于磁敏管传感器中的结型，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的一种磁敏传感器，同时也是PN结型的磁电转换元件，具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小和体积小等特点，比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。
（正文：五号，宋体，行间距固定值18磅）1.1 磁敏二极管的发展1.漏磁场的计算始于1966年,Shcherbinin和Zatsepin两人采用磁偶极子模型计算表面开口的无限长裂纹。
2.1966年，前苏联发表了第一篇定量分析缺陷漏磁场的论文,提出用磁偶极子、无限长磁偶极线和无限长磁偶带来模拟工件表面的点状裂纹和深裂缝。
一、H all霍尔传感器1、霍尔传感器的定义霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
2、霍尔传感器的分类按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
（1）线性电路：它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。
其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例。
这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。
霍尔线性电路的功能框图（2）开关电路：霍尔开关电路由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级组成。
在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。
之后，B再增加，仍保持导通态。
若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。
我们称BOP为工作点，BRP 为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。
回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。
霍尔开关电路的功能框见图2。
图2(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。
(a) 单OC 输出 (b)双OC 输出图2 霍尔开关电路的功能框图3、原理霍尔效应原理：将一块半导体或导体材料，沿Z 方向加以磁场B ，沿X 方向通以工作电流I ，则在Y 方向产生出电动势H V ，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
H V 称为霍尔电压。
++++++------V HE H eF mF b I d BA B Y++++++------V H E H F m F e B b I d A B(a) (b)图3 霍尔效应原理图实验表明，在磁场不太强时，电位差H V 与电流强度I 和磁感应强度B 成正比，与板的厚度d 成反比，即d IB R V H H (1)或 IB K V H H (2) 式（1）中H R 称为霍尔系数，式（2）中H K 称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv / (mA ·T)。
简述磁敏器件（霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管等）的应
用。
磁敏器件是利用磁场的变化来控制电路的功能，它们的应用十分广泛，常见的磁敏器件包括霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管等。
以下介绍这些磁敏器件在不同领域的具体应用：
一、霍尔元件的应用
1、控制技术：霍尔元件可以用于控制执行元件，如门、开关等。
其优点是重量轻、反应速度快等。
2、测量技术：应用于电机的转速测量、转角测量等方面，能够准确可靠地测量出特定的转速和角度大小，具有体积小、重量轻的优点。
3、浪涌保护技术：在抗浪涌技术中，利用霍尔元件来检测交流电流，当出现超过额定容量的浪涌电流时，可以及时给出警报信号，从而保护电路，防止因过负荷而发生损坏。
二、磁敏电阻的应用
1、流量计：磁敏电阻可以用于流量计的流量检测，可以准确测量出流量的大小，从而实现对流量的控制。
2、车辆安全技术：磁敏电阻可以用于汽车安全技术领域，可以测量出车辆的速度，并可通过继电器控制来控制车辆的行驶。
三、磁敏晶体管的应用
1、电动机控制技术：磁敏晶体管可以用于电动机的控制，它可以检测电动机的转速，从而控制电动机的转速和功率。
2、电池放电技术：磁敏晶体管可以用于电池的放电技术，可以监测电池的放电，当电池放电过低时，可以自动断电，以保护电池不造成过度放电。
磁敏二极管的工作原理磁敏二极管是一种特殊的半导体器件，它可以将磁场的变化转化为电信号输出。
磁敏二极管的工作原理是基于磁阻效应，即材料的电阻率会随着磁场的变化而发生变化。
本文将从磁阻效应、磁敏二极管的结构与性能、磁敏二极管的应用等方面详细介绍磁敏二极管的工作原理。
一、磁阻效应磁阻效应是指材料的电阻率会随着磁场的变化而发生变化。
这种效应最早是由奥斯特在1851年发现的。
他发现，当将铁磁性材料放在磁场中时，材料的电阻率会发生变化。
这种现象被称为磁阻效应。
在20世纪50年代，磁阻效应被应用于半导体器件中，磁敏二极管也是基于这种效应而设计的。
二、磁敏二极管的结构与性能磁敏二极管是由两个极性相反的半导体材料组成的。
其中一个是n型半导体，另一个是p型半导体。
这两种半导体材料之间的界面称为p-n结。
当在p-n结上施加电压时，会形成一个正向偏压或反向偏压。
正向偏压会使得p型半导体中的电子向n型半导体移动，同时n型半导体中的空穴也向p型半导体移动。
这种移动会导致p-n结中的电荷密度发生变化，从而改变p-n结的电阻率。
磁敏二极管的工作原理是基于磁阻效应。
当磁敏二极管处于磁场中时，磁场会对p-n结中的电子和空穴的运动方向产生影响。
这种影响会导致p-n结中的电荷密度发生变化，从而改变磁敏二极管的电阻率。
当磁场方向垂直于p-n结时，电阻率最大；当磁场方向平行于p-n结时，电阻率最小。
这种磁阻效应的大小取决于磁敏二极管材料的种类和磁场的强度。
磁敏二极管的性能主要取决于材料的磁阻率、灵敏度和响应时间。
磁阻率是指磁敏二极管在磁场中的电阻率与没有磁场时的电阻率之比。
灵敏度是指磁敏二极管对磁场变化的响应能力。
响应时间是指磁敏二极管从受到磁场变化到输出电信号的时间。
三、磁敏二极管的应用磁敏二极管具有灵敏度高、响应速度快、体积小等优点，因此被广泛应用于磁场测量、磁记录、磁导航、磁医学等领域。
在磁场测量方面，磁敏二极管可以用来测量地磁场、航空磁场、地震磁场等。
简述磁敏器件（霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管等）的应
用。
磁敏器件是一种电子器件，它可以感知外界磁场，从而可以控制电路的开关。
（如：控制电流的变化）。
磁敏器件包括霍尔元件、磁敏电阻、磁敏晶体管等。
霍尔元件：霍尔元件是一种可检测外磁场的电子元件，广泛用于检测、控制电子电路。
它能够检测外磁场在其有效磁感应直径内施加的变化，并且以电信号的形式表示，从而实现把固态的模拟检测信号转换为电子信号的功能。
霍尔元件的主要应用有用作编码器测量电子设备的旋转角度、电位器测量值、定位开关等。
磁敏电阻：磁敏电阻是一种由铁磁材料制成的可感应磁场的电阻元件，它具有磁场对电阻值变化的特性，广泛应用于电子测试仪器、控制马达的调速、磁性材料研究、气象观测等领域。
磁敏晶体管：磁敏晶体管是一种特殊的三极管，它可以从外部磁场变化中产生控制电压，从而控制电路的开关。
磁敏晶体管的主要应用有：作为磁场开关的输入控制元件、用于保护在回路短路时打开熔丝的熔断器元件、用于检测汽车及航空器的磁路断裂状况以及供过压保护的检测保护元件等。
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磁敏二极管综述
引言
磁敏二极管是继霍尔元件和磁敏电阻之后发展起来的一种新型磁电转换元件。
它具有体积小、磁灵敏度高的优点, 可以广泛应用于磁场检测、自动磁力探伤、工业自动化和电子技术等领域。
前使用的半导体磁电转换元件有霍尔元件和磁敏电阻。
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的, 这种元件的特点是, 它的输出霍尔电压与磁场方向有关, 并和磁场强度成正比, 但是输出电压很低(约1.5 m V / m A. kG ) , 需要附加一个稳定的放大电路才能使用, 磁敏电阻是利用二次霍尔效应制得, 但是它在弱磁场下, 输出与磁场强度的平方成正比, 使输出剧烈下降, 而且与磁场的正负方向无关。
磁敏二极管与霍尔元件等相比体积小, 磁灵敏度高( 1000 m V / m A.kG ) , 电路简单,具有一系列的优点。
1 原理与结构
磁敏二极管是采用本征导电高纯度锗( G e ) 制成的, 其物理性能是基于注入载流子表面再复合的差, 这种管子的结构是p + —i—n+ 型二极管。
在高纯锗的两端用合金法做成p 型和n 型区域, i 区是本征高纯锗, i 区长l 要取L (载流子的扩散长度) 的数倍, 在一侧面制成(扩散杂质或喷砂) 高复合区域, 一般叫r 区(即复合速度大的区域) , 见图1。
对这个元件加上正向电压( p 端接正极,n 端接负极) , 在外加电压作用下p 端和n 端接合处的载流子双重注入, 这两种载流子是从p 区注入i 区的空穴和n 区注入i区的电子所组成在没有磁场的情况下(图2 中
H) , 大部分空穴和电子
分别流入n 区和p 区而产生电流, 仅有很小部分电子和空穴在i 区复合掉。
如果
H) , 电子和空穴均偏向r 区, 在r 区电子和空穴的加上一个正磁场( 图2 中
+
H时, 载流复合速度加快, 电子和空穴在r 区很快就复合掉。
因此, 在磁场为
+
子的复合率比没有磁场时要大得多, 这时i 区的载流子密度便减小，i区的电阻增加，也就是说载流子的平均寿命减小，电流也随之减小。
从管子的两端来看，
电阻增加了。
i 区的电阻增加，外部电阻分配在i 区的电阻就增加，加在i p 结和i n 结的电眼减小，进而使载流子的注入效率减小，控制在炉子的注入量，逐渐使i 区的电阻进一步增加，一直达到某种稳定状态。
所以在磁场为+H 时，磁敏二极管伴随着正反馈作用的效果，从而提高它的灵敏度。
当加以反向磁场时（图2中-H ），是的电子和空穴r 区的对面偏转，复合减小，同时载流子继续注入i 区，该去的载流子密度增加，电阻减小，电流增加，载流子的平均寿命增加，结果是i 区的电压降减小，加在i p 结和i n 结的电压相应地增加，这将进一步促使载流子想i 区注入，而一直使管子的电阻减小到某一稳定状态为止。
从上述可以清楚地看出，i 区和其外部分的复合率之差越大，它的灵敏度提高。
有很大复合速度的r 区是磁敏二极管的最大特点。
由此可知：随磁场方向的变化产生正负变化特别是在较弱的磁场下可获得较大的输出电压，这是同霍尔元件和磁敏电阻所不同的。
对应于预先规定的方向的磁场，可以得到与磁场大小成比例的电压变化。
对于反向电压，由于PN 结的整流作用，仅能流过很微小的电流，几乎与磁场无关。
图1 敏感二极管的结构
图2 敏感二极管的工作原理
2 敏感二极管的特性
敏感二极管是一种特殊的磁电转换元件，目前我们生产的磁敏二极管管芯尺寸4毫米，宽0.6毫米，厚0.4毫米。
i 区载流子扩散距离越长，元件的长度就越长。
敏感二极管加以正向偏压是，随磁场变化的福安特性曲线示于图3.中间的曲线表示二极管不加磁场（H=0）时的情况，+H 和-H 表示二极管在加正磁场和负磁场时电压和电流的关系。
（1）当所加偏压一定时，曲线+H 表示二极管电阻增加，电流减小；曲线-H 表示电阻减小，电流增加。
（2）同一磁场下，电流越大，输出电压变化量越大。
从图3可以看出，磁敏二极管是利用磁场变化而引起元件电阻变化的二端元件。
磁敏二极管磁场—输出电压特性曲线示于图4，电路接线按图4，a 链接。
随磁场变强曲线趋向饱和，在弱磁场（100G 以下）输出电压同磁场强度成正比，磁场为零时的端电压为0V ，在正磁场（+H ）时，电压的增量为△+V ，在负磁场（-H ）时，电压的减小量为△-V 。
图3 磁场二极管电压—电流特性 图4 磁敏二极管—输出电压特性 图5为磁敏二极管的温度特性曲线。
从图5中可以看出次元件受温度的影响较大，当温度升高时，锗中热激发的载流子浓度迅速增多，甚至超过注入载流子浓度，因此电流增加，0V 减小，磁灵敏度下降。
在使用中尽量减小温度的变化，
也可以牺牲若干灵敏度，而使温度特性改善，或者用热敏电阻等进行适当的温度补偿。
为此可把两个温度系数相同的元件按磁极相反的放向串联起来（见图6，a ），就能起温度补偿的作用，这种接法通常称为差动接法。
在没有磁场时，两元件中点电压m V 不随温度而改变，保持一个定值m V =F 2
1。
这种接法的温度特性曲线如图6所示，在室温下磁灵敏度随温度的变化很小。
另外，这种接法的磁场—输出电压特性对磁场具有对称性成比例的范围也较大（200G 以下），见图7。
图5 磁敏二极管特性曲线 图6 差动接法的温度特性曲线
图7 差动接法的磁场—输出电压特性曲线
3 磁敏二极管的应用
1.测量磁场
由于磁敏二极管的磁灵敏度高达100。
mV/mA·kG，而且磁感应强度在IkG以下输出特性为线性，所以特别适用于IkG以下的弱磁场的测量，并且能测出磁场的大小和方向。
所制成线路简单、成本低的小量程高斯计，漏磁测量仪，磁力探伤仪，特别是能做成自动磁力探伤仪，使导磁材料的探伤实现自动化。
如果用高导磁材料(坡莫合金、铁氧体等)做成特殊的集束装置可检出10“”G的弱磁场，并以制成磁电指向仪和磁力探矿仪。
由于采用该元件制做的仪器线路简单，易于生产，特别有利于测磁仪器的大批生产。
2.无接触开关
把磁敏二极管或小磁铁中的一个装在动作体上(见图8)，另一个固定不动。
当小磁铁N运动到磁敏二极管时，它输出一个信号给开关电路，控制设备动作。
采用上述装置的无接触开关具有动作可靠，便于生产和安装，可广泛应用于自动控制装置中。
图8 用磁敏二极管装接触开关图9 无电刷直流电动机工作原理
3.测量转速
把元件和永久磁铁都固定不动，在磁路中有空气隙，运动体为导磁体，当它经过磁路空气隙时，磁路闭合，元件给出信号。
采用这种装置可测量转数，做成转速表、风速表，其特点是测量速度快(1一5000转/分)，动作可靠。
4.测量位移
把元件放在磁场中，磁场强度和方向发生变化，引起元件输出电压的变化，
据此可对位移进行测量，也可以和弹性元件连用，将压力、流量等参数转换为机械位移。
用这种元件检测的优点是:无触点，能直接将位移信号转换为电信号，便于遥控和自控;而且惯性小，可大量应用于自动控制设备中的位置测定。
如做成无触点位置检测器(测量铁板长度)、表面光洁度计、测微计、流量计、微音器、拾音器、录音机磁头、重量计等。
5.测量电流
通电导线的周围存在着磁场，其磁场强弱正比于导线中的电流。
将该元件放在导线周围的磁场中，根据元件的输出电压可测知导线中电流的大小。
用此可做成无接触电流表，代替电流互感器，其优点是省电和安全。
6.利用磁敏二极管与其它器件相结合可制成无电刷直流电机，其原理如图9所示。
转子为永久磁铁，转子一旋转，磁敏二极管就输出一个信号电压去控制开关电路，使定子线圈通以电流而促使转子旋转。
无电刷电机具有寿命长、高可靠性，高效率、高转速、无干扰等优点。
4 总结
目前作为磁电转换元件应用较广的有霍尔元件和磁敏电阻，而磁敏二极管还是一种新型元件，但是从磁电转换效率来看，它比前者更具有生命力。
随着我国电子工业的发展，磁敏二极管一定会在仪器仪表及工业自动化等方面得到广泛的推广和应用。
参考文献
[1]黄英.物理学与信息获取技术[J].合肥工业大学学报社会科学版,2006年5期
[2]温殿忠等.采用 MEMS 技术制造硅磁敏三极管[J].传感器技术,2009年5期
[3]温殿忠.磁敏感元器件与磁传感器[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2011
[4]宁伟超.宽温区开关型霍尔磁敏传感器芯片的设计[D].上海大学,2007
[5]白韶红.集成霍尔传感器的发展[J].自动化仪表，2009 年3期。
