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/K 0 T/K
ρ
0
ρ0K ρ0
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 φ 0的整数倍，而不能取任何别的值。
Wb
e
h 15
0 1007.22
?????
h—普郎克常数,e —电子电量，
φ 0—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～ 30?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；
φ 0——磁通量子；
IC(0)——没有外磁场作用时，超导结的临界电流。
?
?
?
?
?
?
?
0
0
s i n
)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
T
m
mT
dL
4
211
215
0 102
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 φ 0/100=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 =500?，亦即
d=2λ =1000?。则,L·d ＝ 1× 10-11m2，这里临界电流的
起伏周期是磁通量子 φ 0,φ 0=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,
CT
RT
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
× L
1
↑
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
CT L
T
(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
Vf Rf
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
Hs Hc F
Br
-Hc
E -B
r D
C
静态磁滞回线示意图
Bs
H
O
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 Br
Br,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
dB
d ??
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
lls ???
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
4 1
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 。
L1 L2
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
B
B1
B2
（ c）
图 2.4-4 传感器测磁原理示意图
B
?
?
?
????
????
tHHHHH
tHHHHH
mee
mee
?
?
s i n2
s i n2
~22
~11
??
?
?
????
????
tHHB
tHHB
med
med
???
???
s i n2
s i n2
2
1
?
?
?
?
?
???
?
s
med
s
B
HH
B
??? s i n2?1B
2
2
1
12
2
?
??
???
??
?
??
???
????
?2B
?
?
?
?
?
?
???
s
med
s
B
HH
B
??? s i n2
2
2
2
21
1
?
??
???
??
?
??
???
????
?1E
?
?
?
?
?
??? ?
0
c o s102
0
8
???? SH sm
?2E
?
?
?
?
?
?? ?
0
c o s102
0
8 ???? SH
sm
2
2
1
12
2
?
??
???
??
?
??
???
????
2
2
2
21
1
?
??
???
??
?
??
???
????
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
???
?
?
?
0
c o s102
0
c o s102
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
tH
H
H
fSnE e
m
s
sdS ?? 2s i n1016
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 n
n
?
? ??
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
q v Bf L ?
wqVqEf HHE /??
wqVq v B H /?
当达到动态平衡时
dn q vwdjwI ?????
dnqwIv ??? /
pqdIBV H /??
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
IB
RV 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）（
P
qp
R
N
qn
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
5.4
2.7
A B
0.2 0.5
0.3
C
D
（ a）
w
电流极
霍耳电极
R4
A B
C
D R
1 R2
R3 R4
（ 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 A B 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。
VH R3 V B I
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。
IKBI
d
R
V IHH ??
VKV
R
K
BV
dR
R
V VHH ??? 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 。
2
2
m a x 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,
1
2
2
2
m a x
m a x
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
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
VH/mV
λ=∞
λ=7.0
λ=1.5
λ=3.0
B/T
理论值
实际值
VH R3 I
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
250
200
150
100
50
40 80 120 160 200
LnSb
LnAs
T/℃ 0
2
4
6
ρ/7× 10-3Ω·cm
LnAs
200 150 100 50
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
VCC 1
霍耳元件 放大
BT
整形
地
H
3020T
输出
Vout
R=2kΩ
+12V
1
2
3
（ 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
12
ON
OFF
BRP BOP 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 VAC Vcc
Vcc
VAC
Vcc VAC
K
Vcc
K
Vcc VAC
Vcc
MOS
VOUT
VAC
霍耳开关集成传感器的一般接口电路
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
N
S
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
N S
L2
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
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
VCC 1
霍耳元件 放大
地
H
稳压
H
3 V
CC
地 4
输出
输出
1
8 6 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,
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,
SL3501M传感器的输出特性曲线
（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
E
R
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
0
0.2T
0.15T
0.1T
0.05T -0.05T
（ a）
-0.3 -0.2 -0.1
0 0.1
0.2 0.3
0.4
（ b）
-0.1 0
0.1
0.4
0.3
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
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 / 0.1T 1.0 2.0 3.0 -1.0 -2.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
B / 0.1T
2.0
-1.0 -2.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
1.0
3kΩ R
E E=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 。
muu?
ΔU/V
T/℃ 0 20 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 E=6V B = 0.1T
80 60 -20
I/mA
-5
-4
-3
-2
-1 I
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
10
1
0.01
图 2.6-32 锗磁敏三极管频率特性 f/kHz
%100
0
0 ???
u
uu
h Bu
%100
0
0 ???
I
II
h Bi
(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。
%100
0
0 ???
u
uu
h BRu
%1 0 0
0
0
I
II
h BRI
?
?
（ 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+
c c
c
y y
y e e
e
r r
r x
x x
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 =Ic
／ 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
I
b=4mA
I
b=3mA
I
b=2mA
I
b=1mA
I
b=0mA
IC
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
2 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
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
1 5 2 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
IC/mA
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)
IC/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
?h
?h
?h
(2.6-30) ? ?
? ? ? ? %10025
)(
120
1020
0 ???
?
?
ttCI
tItI
I
c
cc
CTc ?
? ? ? ?
? ? %100)25( 12
12 ?
??
?
?
?
??
? ttCh
thth
h 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
T
I
II
h
c
ccB
1.0/%100
0
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
%100
0
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
mA
Ec=6V
RL=5kΩ
4
功耗 Pcm
mW
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?
%100
0
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 2 7 3.0 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
I I
（ 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
15
RB
R
0
10
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
103 8
4
2
102
4
2
10
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。
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/K 0 T/K
ρ
0
ρ0K ρ0
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 φ 0的整数倍，而不能取任何别的值。
Wb
e
h 15
0 1007.22
?????
h—普郎克常数,e —电子电量，
φ 0—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～ 30?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；
φ 0——磁通量子；
IC(0)——没有外磁场作用时，超导结的临界电流。
?
?
?
?
?
?
?
0
0
s i n
)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
T
m
mT
dL
4
211
215
0 102
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 φ 0/100=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 =500?，亦即
d=2λ =1000?。则,L·d ＝ 1× 10-11m2，这里临界电流的
起伏周期是磁通量子 φ 0,φ 0=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,
CT
RT
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
× L
1
↑
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
CT L
T
(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
Vf Rf
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
Hs Hc F
Br
-Hc
E -B
r D
C
静态磁滞回线示意图
Bs
H
O
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 Br
Br,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
dB
d ??
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
lls ???
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
4 1
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 。
L1 L2
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
B
B1
B2
（ c）
图 2.4-4 传感器测磁原理示意图
B
?
?
?
????
????
tHHHHH
tHHHHH
mee
mee
?
?
s i n2
s i n2
~22
~11
??
?
?
????
????
tHHB
tHHB
med
med
???
???
s i n2
s i n2
2
1
?
?
?
?
?
???
?
s
med
s
B
HH
B
??? s i n2?1B
2
2
1
12
2
?
??
???
??
?
??
???
????
?2B
?
?
?
?
?
?
???
s
med
s
B
HH
B
??? s i n2
2
2
2
21
1
?
??
???
??
?
??
???
????
?1E
?
?
?
?
?
??? ?
0
c o s102
0
8
???? SH sm
?2E
?
?
?
?
?
?? ?
0
c o s102
0
8 ???? SH
sm
2
2
1
12
2
?
??
???
??
?
??
???
????
2
2
2
21
1
?
??
???
??
?
??
???
????
?
?
?
?
?
?
?
?
?
??
???
?
?
?
0
c o s102
0
c o s102
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
tH
H
H
fSnE e
m
s
sdS ?? 2s i n1016
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 n
n
?
? ??
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
q v Bf L ?
wqVqEf HHE /??
wqVq v B H /?
当达到动态平衡时
dn q vwdjwI ?????
dnqwIv ??? /
pqdIBV H /??
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
IB
RV 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）（
P
qp
R
N
qn
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
5.4
2.7
A B
0.2 0.5
0.3
C
D
（ a）
w
电流极
霍耳电极
R4
A B
C
D R
1 R2
R3 R4
（ 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 A B 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。
VH R3 V B I
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。
IKBI
d
R
V IHH ??
VKV
R
K
BV
dR
R
V VHH ??? 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 。
2
2
m a x 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,
1
2
2
2
m a x
m a x
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
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
VH/mV
λ=∞
λ=7.0
λ=1.5
λ=3.0
B/T
理论值
实际值
VH R3 I
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
250
200
150
100
50
40 80 120 160 200
LnSb
LnAs
T/℃ 0
2
4
6
ρ/7× 10-3Ω·cm
LnAs
200 150 100 50
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
VCC 1
霍耳元件 放大
BT
整形
地
H
3020T
输出
Vout
R=2kΩ
+12V
1
2
3
（ 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
12
ON
OFF
BRP BOP 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 VAC Vcc
Vcc
VAC
Vcc VAC
K
Vcc
K
Vcc VAC
Vcc
MOS
VOUT
VAC
霍耳开关集成传感器的一般接口电路
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
N
S
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
N S
L2
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
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
VCC 1
霍耳元件 放大
地
H
稳压
H
3 V
CC
地 4
输出
输出
1
8 6 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,
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,
SL3501M传感器的输出特性曲线
（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
E
R
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
0
0.2T
0.15T
0.1T
0.05T -0.05T
（ a）
-0.3 -0.2 -0.1
0 0.1
0.2 0.3
0.4
（ b）
-0.1 0
0.1
0.4
0.3
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
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 / 0.1T 1.0 2.0 3.0 -1.0 -2.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
B / 0.1T
2.0
-1.0 -2.0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
-0.4
-0.8
-1.2
-1.6
-2.0
1.0
3kΩ R
E E=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 。
muu?
ΔU/V
T/℃ 0 20 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 E=6V B = 0.1T
80 60 -20
I/mA
-5
-4
-3
-2
-1 I
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
10
1
0.01
图 2.6-32 锗磁敏三极管频率特性 f/kHz
%100
0
0 ???
u
uu
h Bu
%100
0
0 ???
I
II
h Bi
(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。
%100
0
0 ???
u
uu
h BRu
%1 0 0
0
0
I
II
h BRI
?
?
（ 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+
c c
c
y y
y e e
e
r r
r x
x x
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 =Ic
／ 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
I
b=4mA
I
b=3mA
I
b=2mA
I
b=1mA
I
b=0mA
IC
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
2 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
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
1 5 2 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
IC/mA
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)
IC/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
?h
?h
?h
(2.6-30) ? ?
? ? ? ? %10025
)(
120
1020
0 ???
?
?
ttCI
tItI
I
c
cc
CTc ?
? ? ? ?
? ? %100)25( 12
12 ?
??
?
?
?
??
? ttCh
thth
h 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
T
I
II
h
c
ccB
1.0/%100
0
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
%100
0
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
mA
Ec=6V
RL=5kΩ
4
功耗 Pcm
mW
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?
%100
0
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 2 7 3.0 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
I I
（ 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
15
RB
R
0
10
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
103 8
4
2
102
4
2
10
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。
