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 。
?古地磁考古, 测井, 重力勘探 及 预报天然地震 。
?生物医学, 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 。
?固体物理, 生物物理, 宇宙空间, 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/K0 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＜ TCH ≠ 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
超导环
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。
Wbeh 150 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。
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,可
用于磁场测量 。 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× 10-17T·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 （ RFSQUID）
直流超导量子干涉器 （ DC SQUID）
超导量子干涉器件类型：
CT RT
RF
振荡器
（ 一 ） RFSQUID
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
（ 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, 其结构如图所示 。
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
。
L环 是超导环电感； 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
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
CTL
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
VfRf
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
HsHcF
Br
-Hc
E -B
rD
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
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 。
H1=2Hmsinωt
H2=-2Hmsinωt
41
LS
2f
f
2
L1
L2
3
H
He
-Hs
Bm
(a)
（ b）
θ = ωt
H2 H1
H
θ =ωt
e1
e2
E
（ d）
H θ=ωt
B
B1
B2
（ c）
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
?
??
???
??
?
??
???
????
如图 （ c）
如图 （ b）
根据上式可求出 θ1和 θ2的值。
?1E
?
?
?
?
?
??? ?
0
co s102
0
8 ???? SH
sm
?2E
?
?
?
?
?
?? ?
0
co 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。 可计算
出富氏分解中正弦项的系数 b2,进而得出总
感应电压表达式：
2,富氏分解法
tHHHfSnE e
m
s
sdS ?? 2s i n1016
8 ??? ?
这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的
完整表达式。由此可得出如下结论：
1,传感器测量线圈输出二次谐波的电压振幅与被
测磁场 He的大小近似成正比关系, 根据这种关系可
以测量外磁场 。
2,被测磁场的变号 （ 即改变方向 ）, 二次谐波电
压的极性随之改变 。
3．传感器输出二次谐波电压的大小，除与被测磁
场 He近似成正比关系外，还与传感器磁芯对于 He的
有效动态相对导磁率，接收线圈的匝数，磁芯有效
面积, 激励磁场的频率, 磁芯的饱和磁场强度 Hs成
正比关系，而与激励磁场的振幅 Hm成反比。这些
将是设计与制造传感器时的重要参数。
三, 磁通门式磁敏传感器的应用
? 用磁通门式磁敏传感器可以构成多种不同用途的测
磁仪器 。
例如, 用于磁测量的有：
? 地面磁通门磁力仪,
? 航空磁通门磁力仪,
? 磁通门磁力梯度仪,
? 三分量高分辨率磁通门磁力仪,
? 小口径井中磁力仪,
? 微机型磁通门磁力仪；
? 以及用于探测地下炸弹, 地雷等铁磁性物体的探测
仪器等等 。
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
? 感应式磁敏传感器的物理基础：
? 假定在地面有一发射机 T,向发射线圈供给交变
电流, 它在线圈周围则建立变电磁场称之为一次场 。
? 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,
此涡流在空间也产生交变磁场向周围发射, 这种场
通常称为二次场或异常场 。
? 此时, 若在离发射线圈一定距离的某地置一接收
线圈 （ R）, 则该线圈便可接收到一次场和二次场 。
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
? 研究这一现象并分析其场强变化分布的规律, 对
于找矿勘探及地球物理研究等方面, 是有十分重要
的意义的, 而良导体的二次场无疑是由良导矿体内
部感应电流所形成的 。 同样, 分析研究感应电流的
分布规律与特性, 对方法研究及仪器设计制造来说
均有重要意义 。
? 感应式磁敏传感器的应用
现介绍一种微处理机控制的 全自动大地电磁测
深仪 。 这是一种多频大地电磁测量, 被用于监测火
山活动引起的大地电磁场 。 仪器所测数据经初步处
理后, 通过卫星送至地球物理研究中心进行详细和
精确处理, 以便进行最终结果的解释 。
× × × × × × × ×
× × × × × × × ×
屏蔽铜箔 铝管
铝盖
输出线圈
长螺旋管式传感器构成示意图
磁芯
仪
器
测
量
原
理
框
图
（ 一 ） 仪器的基本原理
它是一种多频测量仪器, 测量磁场, 电场和电阻率, 测量频段
4.88Hz-312.5Hz。 信号接收, 放大, 处理由微处理现场自动进行 。
（ 二 ） 电, 磁场微变信号的接收
? 电场接收传感器是一对氯化镉不极化电极；
? 磁场信号的接收, 在该设备中, 磁场信号接收设备装在一个圆
柱形塑料外壳中, 磁场接收器由接收线圈, 校准线圈 （ 并做反
馈 ）, 坡莫合金铁芯和前置放大器组成 。
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 ——Hall effect
? 霍尔传感器就是基于霍尔效应, 把一个导体
（ 半导体薄片 ） 两端通以控制电流 I,在薄片垂直
方向施加磁感强度 B的磁场, 在薄片的另外两侧会
产生一个与控制电流 I和磁感强度 B的乘积成比例
的电动势 UH。
? 通电的导体 （ 半导体 ） 放在磁场中, 电流 I与
磁场 B方向垂直, 在导体另外两侧会产生感应电动
势, 这种现象称 霍尔效应 。
w
（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 ?
wqUqEf HHE /??
wqUqv B H /?
当达到动态平衡时
dn qv wdjwI ?????
dnqwIv ??? /
pqdIBU H /??
霍耳电势 UH与 I,B的乘积成正比, 而与 d成反比 。 于
是可改写成：
d
IBRU
HH ??
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
RH—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。
n q dIBU H /??
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：
UH＝ KH I B
UH＝ 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。
讨论：
任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势, 但不
是都可以制造霍尔元件
? 绝缘材料电阻率很大, 电子迁移率很小, 不适用；
? 金属材料电子浓度很高, RH很小, UH很小 。
? 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率, 所以
霍尔元件多采用 N型半导体 （ 多电子 ） 。
?由上式可见, 厚度 d越小, 霍尔灵敏度 KH越大,
所以霍尔元件做的较薄, 通常近似 1微米 。
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）
5.4
2.7
A B
0.2 0.50.3
C
D
（ a）
w
电流极
霍耳电极
R4
A B
C
DR
1 R2
R3R4
（ c）
2.1
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
霍耳器件符号
A A AB 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 UH；
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,RW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。
VHR3VBI
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。
R3
RW
IKBI
d
RU
I
H
H ??
UKU
R
KBU
dR
RU
U
H
H ???
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 U，由于 U=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 UH的关系式
（四）、基本特性
1,直线性,指霍耳器件的输出电势 UH分别和基本参
数 I,U,B之间呈线性关系 。
UH=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：
UH＝ KBB
若 磁场值固定,则：
UH＝ 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/ RUP 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
RU
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。
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
UHR3I
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
InSb
InAs
T/℃ 0
2
4
6
ρ/7× 10-3Ω·cm
InAs
20015010050
InSb
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。
砷化铟
碲化铟
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
VCC1
霍耳元件 放大
BT
整形
地
H
3020T
输出
Uout
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
由图可见, 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 BOPBH 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
VACVcc
Vcc
VAC
RL
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
② 磁铁侧向滑近式
③ 采用磁力 集中器 增加传感器的磁感应强度
④ 激励磁场应用实例
加磁力集中器的移动激励方式
推拉式
双磁铁滑近式
翼片遮挡式
偏磁式
（ 2）给传感器施加磁场的方式
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
4.霍耳开关集成传感器的应用领域
1 应用,无触点开关
AC220
2 应用,天然气点火电路
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高, 低电平两种状态, 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
VCC1
霍耳元件 放大
地
H
稳压
H
3
VCC
地4
输出
输出
1
86 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
霍尔传感器位移测量原理
霍尔压力传感器结构原理
霍尔元件测位置
霍
尔
元
件
测
角
度
? 线性集成电路 (测位移, 测振动 )
二, 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 。 载流导体置于
磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹
力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变
化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越
强 。
（ 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, 则其电阻值增加 。 这种现
象称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
0 273.0 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 （ 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 （ b）, 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,
又提高了磁阻器件的灵敏度 。
L
W
B B
几何磁阻效应
II
（ a） （ b）
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
R0
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
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
上图是强磁磁阻元件的磁场 ——电阻特性曲线。
与电阻 ——磁场曲线相反，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
从一般半导体磁阻元件的电阻 ——温度特性曲线
中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。
103 8
4
2
102
4
2
10
6
-40 0 20 60 100
温度 /℃
电
阻
变
化
率
%
半导体元件电阻 -温度特性曲线
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。
强磁磁阻元件的电阻 —— 温度特性曲线给出了采
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/℃
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。
三, 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
0.20.3
0.4
（ b）
-0.1 0
0.1
0.4
0.3
0.2
-0.3
（ c）
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,
一种如图 （ b）, 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 (c) 。 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 。
其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 。
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 / 0.1T1.0 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
3kΩR
EE=12V
Td=20℃
(a) （ b）
ΔU/V ΔU/V
下图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 △ U（ 或无磁场作用时中点电压 Um）
随温度变化的规律, 如图 。
ΔU/V
T/℃0 20 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 E=6VB = 0.1T
8060-20
I/mA
-5
-4
-3
-2
-1I
磁敏二极管温度特性曲线
(单个使用时 )
ΔU 磁敏二极
管受
温度
的影
响较
大。
（ 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 1μs, 即响应频率高达 1MHz。 锗
磁敏二极管的响应频率小于 10kHz。
dB
0.1
-12
-9
-6
-3
0
1010.01
锗磁敏三极管频率特性
f/kHz
%1 0 0
0
0 ???
u
uuh B
u
%1 0 0
0
0 ???
I
IIh B
i
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：
(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：
(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：
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
uuh B
Ru
%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+
cc
c
y y
y ee
e
r r
r x
xx
P+ P+
P+
b b
b
N+N+
N+
（ a） （ b）
（ c）
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
/b=5mA
Ib=4mA
Ib=3mA
Ib=2mA
Ib=1mA
Ib=0mA
IC
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 2 4 6 8 10 V
CE/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
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 (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 (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
磁电特性曲线如图所示 。
B/0.1T
ΔIc/mA
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
1 52 3 4-1-2-3
3BCM磁敏三极管电磁特性
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所示 。
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
? ?
? ? ? ? %10025
)(
120
1020
0 ???
??
ttCI
tItII
c
cc
CTc ?
? ? ? ?
? ? %1 0 0)25( 12
12 ?
??
??
?
??
? ttCh
ththh
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。
（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。
本章作业
习题集,P44
1－ 21
其中,14,21上交
补充
1）制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？
2）为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般
为 2, 1？
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 。
?古地磁考古, 测井, 重力勘探 及 预报天然地震 。
?生物医学, 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 。
?固体物理, 生物物理, 宇宙空间, 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/K0 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＜ TCH ≠ 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
超导环
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。
Wbeh 150 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。
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,可
用于磁场测量 。 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× 10-17T·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 （ RFSQUID）
直流超导量子干涉器 （ DC SQUID）
超导量子干涉器件类型：
CT RT
RF
振荡器
（ 一 ） RFSQUID
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
（ 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, 其结构如图所示 。
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
。
L环 是超导环电感； 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
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
CTL
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
VfRf
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
HsHcF
Br
-Hc
E -B
rD
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
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 。
H1=2Hmsinωt
H2=-2Hmsinωt
41
LS
2f
f
2
L1
L2
3
H
He
-Hs
Bm
(a)
（ b）
θ = ωt
H2 H1
H
θ =ωt
e1
e2
E
（ d）
H θ=ωt
B
B1
B2
（ c）
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
?
??
???
??
?
??
???
????
如图 （ c）
如图 （ b）
根据上式可求出 θ1和 θ2的值。
?1E
?
?
?
?
?
??? ?
0
co s102
0
8 ???? SH
sm
?2E
?
?
?
?
?
?? ?
0
co s102
0
8 ???? SH
sm
2
2
1
12
2
?
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???
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?
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2
2
2
21
1
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???
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???
????
?
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?
?
?
?
?
?
??
???
?
?
?
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。 可计算
出富氏分解中正弦项的系数 b2,进而得出总
感应电压表达式：
2,富氏分解法
tHHHfSnE e
m
s
sdS ?? 2s i n1016
8 ??? ?
这就是测量线圈中感应电压信号二次谐波的
完整表达式。由此可得出如下结论：
1,传感器测量线圈输出二次谐波的电压振幅与被
测磁场 He的大小近似成正比关系, 根据这种关系可
以测量外磁场 。
2,被测磁场的变号 （ 即改变方向 ）, 二次谐波电
压的极性随之改变 。
3．传感器输出二次谐波电压的大小，除与被测磁
场 He近似成正比关系外，还与传感器磁芯对于 He的
有效动态相对导磁率，接收线圈的匝数，磁芯有效
面积, 激励磁场的频率, 磁芯的饱和磁场强度 Hs成
正比关系，而与激励磁场的振幅 Hm成反比。这些
将是设计与制造传感器时的重要参数。
三, 磁通门式磁敏传感器的应用
? 用磁通门式磁敏传感器可以构成多种不同用途的测
磁仪器 。
例如, 用于磁测量的有：
? 地面磁通门磁力仪,
? 航空磁通门磁力仪,
? 磁通门磁力梯度仪,
? 三分量高分辨率磁通门磁力仪,
? 小口径井中磁力仪,
? 微机型磁通门磁力仪；
? 以及用于探测地下炸弹, 地雷等铁磁性物体的探测
仪器等等 。
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
? 感应式磁敏传感器的物理基础：
? 假定在地面有一发射机 T,向发射线圈供给交变
电流, 它在线圈周围则建立变电磁场称之为一次场 。
? 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,
此涡流在空间也产生交变磁场向周围发射, 这种场
通常称为二次场或异常场 。
? 此时, 若在离发射线圈一定距离的某地置一接收
线圈 （ R）, 则该线圈便可接收到一次场和二次场 。
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
? 研究这一现象并分析其场强变化分布的规律, 对
于找矿勘探及地球物理研究等方面, 是有十分重要
的意义的, 而良导体的二次场无疑是由良导矿体内
部感应电流所形成的 。 同样, 分析研究感应电流的
分布规律与特性, 对方法研究及仪器设计制造来说
均有重要意义 。
? 感应式磁敏传感器的应用
现介绍一种微处理机控制的 全自动大地电磁测
深仪 。 这是一种多频大地电磁测量, 被用于监测火
山活动引起的大地电磁场 。 仪器所测数据经初步处
理后, 通过卫星送至地球物理研究中心进行详细和
精确处理, 以便进行最终结果的解释 。
× × × × × × × ×
× × × × × × × ×
屏蔽铜箔 铝管
铝盖
输出线圈
长螺旋管式传感器构成示意图
磁芯
仪
器
测
量
原
理
框
图
（ 一 ） 仪器的基本原理
它是一种多频测量仪器, 测量磁场, 电场和电阻率, 测量频段
4.88Hz-312.5Hz。 信号接收, 放大, 处理由微处理现场自动进行 。
（ 二 ） 电, 磁场微变信号的接收
? 电场接收传感器是一对氯化镉不极化电极；
? 磁场信号的接收, 在该设备中, 磁场信号接收设备装在一个圆
柱形塑料外壳中, 磁场接收器由接收线圈, 校准线圈 （ 并做反
馈 ）, 坡莫合金铁芯和前置放大器组成 。
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 ——Hall effect
? 霍尔传感器就是基于霍尔效应, 把一个导体
（ 半导体薄片 ） 两端通以控制电流 I,在薄片垂直
方向施加磁感强度 B的磁场, 在薄片的另外两侧会
产生一个与控制电流 I和磁感强度 B的乘积成比例
的电动势 UH。
? 通电的导体 （ 半导体 ） 放在磁场中, 电流 I与
磁场 B方向垂直, 在导体另外两侧会产生感应电动
势, 这种现象称 霍尔效应 。
w
（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 ?
wqUqEf HHE /??
wqUqv B H /?
当达到动态平衡时
dn qv wdjwI ?????
dnqwIv ??? /
pqdIBU H /??
霍耳电势 UH与 I,B的乘积成正比, 而与 d成反比 。 于
是可改写成：
d
IBRU
HH ??
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
RH—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。
n q dIBU H /??
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：
UH＝ KH I B
UH＝ 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。
讨论：
任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势, 但不
是都可以制造霍尔元件
? 绝缘材料电阻率很大, 电子迁移率很小, 不适用；
? 金属材料电子浓度很高, RH很小, UH很小 。
? 半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率, 所以
霍尔元件多采用 N型半导体 （ 多电子 ） 。
?由上式可见, 厚度 d越小, 霍尔灵敏度 KH越大,
所以霍尔元件做的较薄, 通常近似 1微米 。
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）
5.4
2.7
A B
0.2 0.50.3
C
D
（ a）
w
电流极
霍耳电极
R4
A B
C
DR
1 R2
R3R4
（ c）
2.1
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
霍耳器件符号
A A AB 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 UH；
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,RW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。
VHR3VBI
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。
R3
RW
IKBI
d
RU
I
H
H ??
UKU
R
KBU
dR
RU
U
H
H ???
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 U，由于 U=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 UH的关系式
（四）、基本特性
1,直线性,指霍耳器件的输出电势 UH分别和基本参
数 I,U,B之间呈线性关系 。
UH=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：
UH＝ KBB
若 磁场值固定,则：
UH＝ 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/ RUP 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
RU
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。
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
UHR3I
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
InSb
InAs
T/℃ 0
2
4
6
ρ/7× 10-3Ω·cm
InAs
20015010050
InSb
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。
砷化铟
碲化铟
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
VCC1
霍耳元件 放大
BT
整形
地
H
3020T
输出
Uout
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
由图可见, 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 BOPBH 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
VACVcc
Vcc
VAC
RL
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
② 磁铁侧向滑近式
③ 采用磁力 集中器 增加传感器的磁感应强度
④ 激励磁场应用实例
加磁力集中器的移动激励方式
推拉式
双磁铁滑近式
翼片遮挡式
偏磁式
（ 2）给传感器施加磁场的方式
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
4.霍耳开关集成传感器的应用领域
1 应用,无触点开关
AC220
2 应用,天然气点火电路
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高, 低电平两种状态, 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
VCC1
霍耳元件 放大
地
H
稳压
H
3
VCC
地4
输出
输出
1
86 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
霍尔传感器位移测量原理
霍尔压力传感器结构原理
霍尔元件测位置
霍
尔
元
件
测
角
度
? 线性集成电路 (测位移, 测振动 )
二, 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 。 载流导体置于
磁场中,除了产生霍尔效应外,导体中载流子因受洛仑兹
力作用要发生偏转,载流子运动方向偏转使电流路径变
化,起到了加大电阻的作用,磁场越强增大电阻的作用越
强 。
（ 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, 则其电阻值增加 。 这种现
象称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
0 273.0 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 （ 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 （ b）, 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,
又提高了磁阻器件的灵敏度 。
L
W
B B
几何磁阻效应
II
（ a） （ b）
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
R0
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
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
上图是强磁磁阻元件的磁场 ——电阻特性曲线。
与电阻 ——磁场曲线相反，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
从一般半导体磁阻元件的电阻 ——温度特性曲线
中可以看出，半导体磁阻元件的温度特性不好。
103 8
4
2
102
4
2
10
6
-40 0 20 60 100
温度 /℃
电
阻
变
化
率
%
半导体元件电阻 -温度特性曲线
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。
强磁磁阻元件的电阻 —— 温度特性曲线给出了采
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/℃
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。
三, 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
0.20.3
0.4
（ b）
-0.1 0
0.1
0.4
0.3
0.2
-0.3
（ c）
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,
一种如图 （ b）, 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 (c) 。 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 。
其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 。
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 / 0.1T1.0 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
3kΩR
EE=12V
Td=20℃
(a) （ b）
ΔU/V ΔU/V
下图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 △ U（ 或无磁场作用时中点电压 Um）
随温度变化的规律, 如图 。
ΔU/V
T/℃0 20 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0 E=6VB = 0.1T
8060-20
I/mA
-5
-4
-3
-2
-1I
磁敏二极管温度特性曲线
(单个使用时 )
ΔU 磁敏二极
管受
温度
的影
响较
大。
（ 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 1μs, 即响应频率高达 1MHz。 锗
磁敏二极管的响应频率小于 10kHz。
dB
0.1
-12
-9
-6
-3
0
1010.01
锗磁敏三极管频率特性
f/kHz
%1 0 0
0
0 ???
u
uuh B
u
%1 0 0
0
0 ???
I
IIh B
i
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：
(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：
(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：
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
uuh B
Ru
%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+
cc
c
y y
y ee
e
r r
r x
xx
P+ P+
P+
b b
b
N+N+
N+
（ a） （ b）
（ c）
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
/b=5mA
Ib=4mA
Ib=3mA
Ib=2mA
Ib=1mA
Ib=0mA
IC
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0 2 4 6 8 10 V
CE/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
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 (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 (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
磁电特性曲线如图所示 。
B/0.1T
ΔIc/mA
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
1 52 3 4-1-2-3
3BCM磁敏三极管电磁特性
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所示 。
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
? ?
? ? ? ? %10025
)(
120
1020
0 ???
??
ttCI
tItII
c
cc
CTc ?
? ? ? ?
? ? %1 0 0)25( 12
12 ?
??
??
?
??
? ttCh
ththh
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。
（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。
本章作业
习题集,P44
1－ 21
其中,14,21上交
补充
1）制作霍尔元件应采用什么材料，为什么？
2）为何霍尔元件都比较薄，而且长宽比一般
为 2, 1？
