传感器复习笔记（八）：磁敏传感器

传感器原理 · 第八章

概述

磁敏传感器对磁场参量（磁感应强度、磁通）敏感，通过磁电作用将被测量转换为电信号。

与电感式传感器的区别：电感式把被测量转换成电感量的变化；磁电式通过检测磁场变化来测量被测量。

霍尔效应

霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过半导体薄片时，在垂直于磁场和电流方向的两个端面之间出现电势差（霍尔电势差 $U_H$）的现象。

霍尔电势：

$$ U_H = R_H\frac{IB}{d} = K_H IB $$

其中 $R_H = \dfrac{1}{ne}$（霍尔系数），$K_H = \dfrac{R_H}{d}$（霍尔灵敏度），$d$ 为元件厚度。

导电类型判定：对N型半导体：$R_H < 0$（电子导电）；对P型半导体：$R_H > 0$（空穴导电）。

讨论：

$K_H$ 越大，霍尔输出电压越高
$K_H \propto 1/d$，元件越薄灵敏度越高（但不能太薄，否则输入输出电阻增加）
$K_H \propto \mu$（载流子迁移率）和 $\rho$（电阻率）
金属的 $n$ 很大，霍尔效应很弱；绝缘体 $\rho$ 太小；半导体最适合做霍尔元件
常用材料：锗(Ge)、硅(Si)、砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)

霍尔元件主要特性参数

额定功耗 $P_0$：允许通过元件的电流和电压乘积
输入电阻 $R_i$：控制电流端的直流电阻（几十到几百欧）
输出电阻 $R_o$：霍尔输出端之间的电阻
不等位电势 $U_0$：$B=0$ 时输出端的开路电压
霍尔温度系数 $\alpha$：温度变化1℃时霍尔电势变化的百分率
电阻温度系数 $\beta$：温度变化1℃时输入/输出电阻的相对变化率

霍尔元件的温度误差补偿

输入回路串并联电阻补偿
输出回路负载补偿
热敏电阻补偿（输入回路或输出回路）
补偿电桥

霍尔元件 vs 磁敏二极管/三极管

对比项	霍尔元件	磁敏二极管/三极管
灵敏度	一般	高几百到上千倍
线性范围	宽	窄
能否判磁场方向	能	能
适用磁场	一般	更适合弱磁场

集成霍尔传感器

线性型：输出电压与外加磁场成线性比例关系
开关型：含施密特触发器，输出高/低电平数字信号。当磁场强度超过工作点时输出低电平，低于释放点时输出高电平

霍尔传感器的应用

霍尔传感器的三种测量模式：

恒定 $I$，测 $B$：磁场测量（特斯拉计/高斯计）
恒定 $B$，测 $I$：电流测量（霍尔电流传感器，非接触式，不消耗被测电路功率）
$U_H \propto I \times B$：功率测量

其他应用：位移测量（1~2mm范围）、转速测量（ABS防抱死系统）、汽车电子点火器、接近开关、计数装置。

计算示例

一个霍尔元件，霍尔灵敏度 $K_H = 10$ mV/(mA·kGs)，控制电流 $I = 5$mA，置于 $B = 0.5$kGs 的磁场中。

（1）求霍尔电势 $U_H$。

（2）如果想提高霍尔电势，可以采取哪些措施？（列举两个）

解：

（1）$U_H = K_H I B = 10 \times 5 \times 0.5 = \mathbf{25\;\text{mV}}$

（2）提高措施（任写两条即可）：

增大控制电流 $I$（但受额定功耗限制）
选用更薄的霍尔元件（$K_H \propto 1/d$）
选用霍尔系数更大的半导体材料（如锑化铟InSb）
增大磁感应强度 $B$

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