通用磁測量儀器由磁傳感器、轉換器、信號處理電路和讀出電路組成。儀器的基本性能(如靈敏度、動態范圍和精度)主要由其傳感器決定。信號處理電路可以提供放大、轉換(如F/V、A/D轉換)、補償和校正等功能。

隨著磁性材料的發展，人們利用各種磁性材料作為信息載體，如計算機信息存儲、記錄視聽信息和各種物體運動信息，包括位置、位移、速度、轉速等。所有這些都可以由磁性材料承載。因此，需要大量各種磁讀取、寫入和感測設備。因此，磁傳感器逐漸與磁測量儀分離，形成獨立的磁傳感器產品。隨著磁傳感器行業的快速發展，可以說“任何電腦、汽車、工廠，沒有磁傳感器都無法正常工作”。同時，磁傳感器已經滲透到人們的日常生活中，許多家用電器廣泛使用磁傳感器。

磁傳感器的應用日益擴大，其地位越來越重要。根據其結構，磁傳感器可分為兩類：體式和結式。前者以霍爾傳感器為代表，后者以磁敏二極管、磁敏晶體管等為代表。它們都是利用半導體材料中載流子隨磁場改變運動方向的特性制成的磁傳感器。此外，還有基于電磁感應原理的磁電傳感器。

霍爾傳感器

霍爾效應

當靜態載流導體或半導體置于磁場中的電流方向與磁場的電流方向不一致時，載流導體垂直于電流和磁場方向的兩個表面之間就會產生電動勢，這就是霍爾效應。這種電動勢被稱為霍爾電勢，載流導體(主要是半導體)被稱為霍爾元件。霍爾效應是導體中載流子在磁場中洛倫茲磁力作用下橫向漂移的結果。

如圖使電流I垂直于磁場流過半導體薄片。假設載流子是電子(N型半導體材料)，它以與電流I相反的方向運動.由于洛倫茲力F1，電子將偏轉到一側(如虛線箭頭所示)，電子將聚集在修改側。而另一側形成正電荷積累，元件橫向形成電場。電場阻止電子繼續向側面移動。當施加在電子上的電場力fE等于洛倫茲力fL時，電子積累達到動態平衡。此時兩端橫平面之間建立的電場稱為霍爾電場EH，對應的電勢稱為霍爾電勢UH。

設霍爾板的長度、寬度和厚度分別為L、B和D。讓電子勻速v運動，在垂直方向施加的磁感應強度B的作用下，會受到洛倫茲力。

因為再一次

當控制電流或磁場的方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當磁場和電流同時改變方向時，霍爾勢不改變方向。通常，霍爾板上施加的電壓為E。如果霍爾電位中的電流I被改寫為E，計算將很方便，根據

從上面的公式可以看出，適當選擇霍爾板的材料遷移率()和縱橫比(b/L)可以改變霍爾電位的UH值。

霍爾元件的結構

器件電流(控制電流或輸入電流):流入器件的電流。

電流端子A和B相應地稱為設備電流端子、控制電流端子或in

當磁場(B)不變時，通過測量某一溫度下的控制電流I和霍爾電位UH，可以得到很好的線性關系。直線的斜率稱為控制電流靈敏度，用KI表示。

因此，具有高靈敏度KH的元件的控制電流靈敏度KI通常較高。但是敏感成分UH不一定大，因為UH也和I有關。

Uh-b特性

當控制電流I保持不變時，元件的開路霍爾輸出不完全呈現與磁場增大的線性關系，而是具有非線性偏差。

誤差分析及補償方法

1.元件幾何尺寸和電極焊點尺寸對性能的影響

(1)幾何尺寸對性能的影響

在分析霍爾效應的原理時，我們認為霍爾板的長度L為無窮大。事實上，霍爾板的長度是有限的。如果L太小，當太小到一定的極限值時，霍爾電場就會被控制電流極短路。因此，與幾何尺寸相關的系數被添加到霍爾勢的表達式中。

實驗表明，當l/b為2時，形狀因子fH(L/b)接近1。為了提高元器件的靈敏度，可以適當提高L/b值，實際設計中取L/b=2就足夠了。

電極焊點尺寸對性能的影響

霍爾電極的大小對霍爾電位的輸出也有一定的影響。根據理想元件的要求，控制電流的電極應與霍爾元件表面接觸良好，而霍爾電極與霍爾元件點接觸。實際上，霍爾電極有一定的寬度L，這對元件的靈敏度和線性度有很大的影響。研究表明，當l/l為0.1時，電極寬度的影響可以忽略。2.不等電位U0及其補償

制作霍爾元件時，不可能保證霍爾電極焊接在同一個等電位面上。如圖，當控制電流I流過元件時，即使磁感應強度等于零，霍爾電極上仍然存在一個電勢，這稱為不等電勢U0。不相等的電勢是零誤差的主要原因。等效電路如圖表明，如果兩個霍爾電極在同一等電位平面上，r1=r2=r3=r4，則電橋平衡，U0=0。當霍爾電極不在同一個等電位平面上時如圖2 . 1 . 3)，由于r3增加，r4減少，電橋平衡被破壞，使U00。有各種方法可以減少不平等的潛力，達到補償的目的。

半導體磁阻傳感器

磁阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，又稱MR元件。其理論基礎是磁阻效應。

磁阻效應

磁阻是一種電阻隨磁場變化而變化的磁敏元件，又稱MR元件。其理論基礎是磁阻效應。

如果在有電流的金屬片或半導體材料上施加一個垂直或平行于電流的外磁場，其電阻值會增加。這種現象稱為磁阻變化效應，簡稱磁阻效應。

在磁場中，電流的流動路徑會因磁場而變長，這將增加材料的電阻率。如果金屬或半導體材料的兩種載流子(電子和空穴)的遷移率差異很大，電阻率的變化主要是由遷移率較高的載流子引起的，可以表示為：

B——為磁感應強度；

當磁感應強度為B時， 3354材料的電阻率；

當磁感應強度為0時， ——材料的電阻率；

——載流子的遷移率。

當材料中只有一種載流子時，磁阻效應幾乎可以忽略不計，霍爾效應甚至更強。在電子和空穴都存在的材料(如銻化銦)中，磁阻效應非常強。磁阻效應也與樣品的形狀和大小密切相關。這種與樣品形狀和大小有關的磁阻效應稱為磁阻效應的幾何磁阻效應。矩形磁阻器件只有在L(長)w(寬)的條件下才表現出較高的靈敏度。L“W”的扁平器件串聯，可以得到零磁場電阻更大、靈敏度更高的磁阻器件。

圖(a)顯示了沒有柵極的情況，電流僅在電極附近偏轉，電阻幾乎沒有增加。在L-W矩形磁阻材料上制作許多等間距的平行金屬條(短路柵)，以短路霍爾電位。如如圖2 . 2 . 1(b)所示，這種網格磁阻器件相當于許多扁平條形磁阻器的串聯。因此，柵極磁阻器件不僅增加了零磁場電阻值，而且提高了磁阻器件的靈敏度。常用的磁阻元件包括半導體磁阻元件和強磁磁阻元件。其內部可做成半橋或全橋等形式。

磁阻元件

矩形磁阻元件；

物理磁阻效應和幾何磁阻效應并存。

弱場中的磁阻比

柵極磁阻高靈敏度電阻

g’是子元素的形狀系數。如果g  '增強很多，msn會增加，RBn會增加。

鈷元素

結構形式

圓盤元件；

外圓的中心和外圍設有電流電極。

原則：

電流在兩個電極之間流動；

載體的運動路徑由于磁場而彎曲；

阻力增加

磁阻特性

敏感

磁阻元件的靈敏度特性用一定磁場強度下的電阻變化率表示，即磁場——的電阻特性的斜率。常用k，單位為毫伏/毫安千克，即。公斤.計算中常用RB/R0。R0表示不存在磁場時磁阻元件的電阻值，RB表示磁感應強度為0.3T時磁阻元件的電阻值為app

從圖中可以看出，它與磁阻元件的曲線相反，即隨著磁場的增大，電阻值減小。并且在磁通密度達到幾十到幾百高斯時達到飽和。一般來說，電阻會變化百分之幾。

電阻——的溫度特性

從圖中可以看出，半導體磁阻元件的溫度特性不好。圖中電阻值在35范圍內下降1/2。因此，在應用中，一般需要設計溫度補償電路。

電阻——強磁阻元件的溫度特性曲線；

圖中分別顯示了恒流和恒壓電源的溫度特性。恒流電源可以獲得500 ppm/的良好溫度特性，而恒壓電源的溫度特性高達3500ppm/。然而，因為GMR元件在開關模式下工作，所以通常使用恒壓模式。

結磁傳感器

磁敏二極管

結構

結型磁傳感器是PIN二極管的一種，可稱為兩端高摻雜P、N區的結型二端器件(也稱索尼二極管SMD)。較長的本征區I稱為長基區二極管，I的一側接地平滑；另一方面，高復合區(稱為R區)是通過擴散雜質或噴砂制成的，這使得電子-空穴對容易在粗糙表面復合并消失。當施加正偏壓時，p  -I結向本征區I注入空穴，n  -I結向本征區I注入電子，也稱為雙注入長二極管。操作原理

圖(a)在沒有磁場的情況下，大量空穴以正偏壓從P區通過I進入N區，大量電子從N區通過I進入P區，形成電流。I區只有少量的電子和空穴重新結合。

圖(B)當受到磁場B(正向)作用時，電子和空穴被FL偏轉到R區。R區的復合使I區的電流減小，電阻增大，I區的壓降增大，n  -I結和p  -I結上的壓降減小，使得注入的載流子再次減少，直到正向電流減小到某一穩定值。

圖(c)當施加磁場B-(反向)時，n  -I和p  -I結處的電壓降增加，這增加了注入的載流子，并進一步增加電流，直到電流達到飽和。

在直流電壓下，施加正向磁場和反向磁場時PIN管的正向電流變化較大，不同磁場下電流變化不同。

磁敏二極管的主要特性

1、伏安特性——正向偏壓與電流的關系

鍺磁敏二極管的伏安特性曲線表明，當磁場為正時，輸出電壓恒定，電流隨磁場的增大而減小。當磁場為負時，電流隨著負方向磁場的增大而增大；相同磁場中電壓越大，輸出電流變化越大。

圖(b，c)顯示了硅磁敏二極管的伏安特性。圖(c)具有負阻特性，即電流急劇增加，偏置電壓突然下降；由于高電阻I區的熱平衡中載流子較少，注入I區的載流子在復合中心被填充前不會產生大電流，只有在復合中心被填充后電流才會急劇增加，而I區的壓降會降低，呈現負阻特性。

2.磁電特性

給定條件下磁敏二極管輸出電壓變化與外加B的關系。通常有單用和互補兩種使用方式。單獨使用時，正向磁靈敏度大于反向磁靈敏度。互補時，正反磁靈敏度曲線對稱，在弱磁場下具有良好的線性。

一次性使用時間

使用中的互補性

3.溫度特性

在標準測試條件下，輸出電壓變化 u隨時間變化.

4.四個公共補償電路

互補溫度補償電路圖(A)；差分溫度補償電路圖(B)；全橋溫度補償電路圖(C)；熱敏電阻溫度補償電路圖(d)。

磁敏三極管

結構

e，發射極，基極b和集電極c；在發射極和長基極區的一側形成高復合區r。

操作原理

分析磁場強度B變化時基極電流Ib、集電極電流Ic和電流放大系數的變化。

圖(a):當b=0時，由于基區寬度大于載流子有效擴散長度，注入發射極區的少數載流子輸入C，大部分通過e-p-b形成Ib，Ib”Ic，電流放大系數為 1。

圖(b):施加正磁場(b)時，載流子被FL偏轉到發射區一側，使ic明顯下降，同時基極復合增加，Ib增加較小，電流放大系數減小。

圖(c):當施加反向磁場(B-)時，載流子被FL偏轉到集電極側，這使得ic增加，基極復合減少，增加，IB幾乎不變。

磁敏三極管的主要特性

1、伏安特性

2.磁電特性

當磁場較弱時，ic和B的關系是線性的。

3.溫度特性

3ACM  3BCM磁敏溫度系數為0.8%∕.

3厘米磁敏的溫度系數是-0.6%∕.

4.頻率特性

交變磁場

3BCM響應t=2us截止頻率500KHz

3cm響應t=4us截止頻率2.5MHz

新型磁傳感器

高分辨率磁性旋轉編碼器

有兩種編碼方法：絕對式和增量式。

絕對

磁鼓：在鋁合金主軸上涂上一層磁介質(-Fe2O3)，并磁化成偶數個磁極，長度為。

磁阻頭：在玻璃基板上鍍一層Ni81Fe19合金薄膜，有10個磁阻元件用于檢測增量信號，4個磁阻元件用于零通道信號檢測。

磁鼓旋轉時，磁場周期性變化，磁阻也周期性變化，每個磁場周期對應兩個磁阻變化周期，具有倍頻特性。