深度解读磁敏传感器技术原理

  磁敏传感器是将磁场信息转换成各种有用信号的装置。它是各种测磁仪器的核心。为了检测并利用磁砀，人们研制了各种测磁仪器。到目前为止，已形成了十多种常用的测磁方法，研制和生产出了几十个大类上百种测磁仪器。

一般的测磁仪器都是由磁敏元件、转换器、信号处理电路和读出电路组成。仪器的基本性能(例如灵敏度、动态范围、精确度)，主要由它的传感器来决定。信号处理电路可以提供放大、转换(例如F/ V、A/D等转换)、补偿、校正等功能。

随着磁性材料的发展，人们利用各种磁性材料来作信息载体，例如计算机信息存储、音像信息的记录各种物体运动信息，包括位置、位移、速度、转速等等，都可以借助磁性体来作载体。因而需要大量的、各种各样的磁的读出、写入和传感装置。从而促使磁敏传感器逐渐地和测磁仪器分离，形成了独立的磁敏传感器产品。磁敏传感器产业发展迅猛，可以说“任何一台计算机、一辆汽车、一家工厂离开磁敏传感器就不能够正常工作”。同时，磁敏传感器已深入到人们的日常生活，许多家用电器都大量地使用着磁敏传感器。

磁敏传感器的应用日益扩大，地位越来越重要，按其结构主要分为体型和结型两大类。前者的代表有霍尔传感器，后者的代表有磁敏二极管、磁敏晶体管等。他们都是利用半导体材料内部的载流子随磁场改变运动方向这一特性而制成的一种磁传感器。另外还有利用电磁感应原理制成的磁电式传感器。

霍尔式传感器

霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体或半导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电动势称霍尔电势，载流导体（多为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。

如图在与磁场垂直的半导体薄片上通电流I，假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转（如虚线箭头方向），并使改侧形成电子积累。而另一侧形成正电荷积累，元件的横向形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。

设霍尔片的长度为L，宽度为b，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

 又因为

当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。通常应用时，霍尔片两端加的电压为E，如果将霍尔电势中的电流I改写成E，可使计算方便，根据

由上式可知，适当地选择材料迁移率(μ)及霍尔片的宽长比(b/L)，可以改变霍尔电势UH值。

霍尔元件的结构

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。霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或霍尔电极、输出端。若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。

霍尔元件的特性

UH－I特性

当磁场(B)恒定时，在一定温度下，测定控制电流I与霍尔电势UH，可得到良好的线性关系。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示，

 

由此可得，灵敏度KH大的元件，其控制电流灵敏度KI一般也大。但是灵敏度大的元件，UH不一定大，因为UH还与I有关。