传感器原理与应用主编戴焯第七章磁电传感器PPT课件

《传感器原理与应用主编戴焯第七章磁电传感器PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理与应用主编戴焯第七章磁电传感器PPT课件（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,第七章 磁电传感器 第一节 霍尔传感器 一、霍尔效应 二、霍尔元件的基本特性 三、测量电路 四、误差及其补偿 五、集成霍尔传感器 六、霍尔传感器的应用 第二节 磁敏电阻 一、磁阻效应 二、磁敏电阻的基本特性 三、磁敏电阻的应用 第三节 磁敏二极管和磁敏三极管 一、磁敏二极管 二、磁敏三极管 三、磁敏管的应用,2,第七章 磁电传感器 磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管及磁敏三极管。 第一节 霍尔传感器 霍尔是美国的一位物理

2、学家，他在1879年首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。,3,4,图71中，v 表示半导体中电子在控制电流I作用下的运动方向和速度，FL 表示电子受到磁场的洛伦兹力 ，其大小为,式中q 为电子的电荷量， FL 方向符合左手掌定则,运动电子在洛伦兹力FL 的作用下，电子以抛物线形式向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力FE FE 表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力FE

3、与洛伦兹力FL 相等时，电荷积累达到动态平衡。 FE=qEH=Uh / b I=-nqvbd,(7-1),5,6,二、霍尔元件的基本特性 霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成，其电路符号如图72所示。图中两短边引线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压；霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。,7,图72 霍尔元件电路符号,由式（72）可知，要使霍尔元件有较高的灵敏度，必须要求霍尔元件材料有较大的霍尔常数。霍尔常数RH 等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作霍尔元件，其电

4、阻率和载流子的迁移率都比较大。目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。,8,常用半导体材料的特性,9,10,由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如下几个基本特性。 1UHI 特性 当KH 和B 为定值时，在一定的温度下，霍尔电压UH 与控制电流I 有较好的线性关系，此时I 对UH 有较高的灵敏度。利用这一特性，霍尔元件可直接用于测量电流或激励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。 2UHB 特性 当KH 和I 为定值时，霍尔电压UH 与磁场B 具有单值关系，在磁不饱和时（一般B小于0.5T） UB 与B 具有线性关系。

5、利用这一特性，霍尔元件可用于测量交、直流磁感应强度或磁场强度；若B 为一个均匀梯度的磁场，则霍尔电压UB 取决于霍尔元件在磁场中的位置，从而实现微位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的测量。,11,3UHIB 特性 利用UH 与IB 的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器，当控制电流I 和磁场B 为同一电源激励时，可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量。 4开关特性 霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（10121014 S），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计。 5集成特性 霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作成集成霍尔

6、传感器。,12,13,14,15,四、误差及其补偿 1零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压UH ，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下三个因素。 （1）直流寄生电势 霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不等、热容量不同,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。 （2）寄生感应电势 当控制电流I 为交变电流时,此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势,要求各电极引线尽可能短,且布线合理以减少磁交链。,16,17,18

7、,19,2温度误差及其补偿 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：半导体的固有特性；半导体制造工艺缺陷。其主要表现形式为温度误差和零位误差。一般来说，温度升高半导体材料的电阻率（下降）和迁移率（下降）载流子浓度（增加）RH下降，霍尔元件中常用的几种材料，硅比锗温度系数小一些，梯化铟对温度最敏感，但其霍尔常数大，砷化铟温度系数最小，但其霍尔常数小。不同材料的霍尔元件都具有一定的温度系数，致使霍尔电压UH随温度而变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件或采取恒温措施外，通常可采用图77所示恒流源控制电路补偿方法。,20,在图77电

8、路中,电流I为恒定电流，不受温度影响；电阻rH 为霍尔元件等效输入电阻，并联rT 为外接补偿电阻，rT 具有如rH 相同的正温度系数,此时霍尔元件的控制 电流 基本不变。 -霍尔器件内阻温度系数 -霍尔电势温度系数（查元件参数表、或产品说明书） ,图77 温度补偿电路,21,电桥补偿电路。RP用于调节补偿不等位电势。在霍尔元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上R1R4均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻Rt。当温度变化时， Rt阻值随之变化，使补偿电桥的输出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，便可以做到一定温度范围内4040，在1、2两点间的霍尔电势与温度基本无关。,2

9、2,五、集成霍尔传感器 随着硅集成电路工艺日趋完善，可以把霍尔元件和测量电路集成在一起而组成集成霍尔传感器。目前已研制出多种集成霍尔传感器，按其功能不同可分为两大类，即开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。 1开关型集成霍尔传感器（控制电路） 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出电压经电路处理后形成一个高电平或低电平的开关量输出，集成电路主要由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器等部分组成，如图78所示。,23,24,图79 输出电平与磁感应强度关系,25,26,差分放大器通常为两级差分放大电路，第二级差分放大采用达林顿管，全电路的增益可达1000倍，因而灵敏度大大提高；在磁不饱和的情况

10、下，输出电压与磁感应强度有很好的线性关系。这种电路内部一般都没有电源调整电路和附加温度补偿电路，应用时最好外加稳压电路及温度补偿措施。,六、霍尔传感器的应用 霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。 1高斯计 如图711所示，将霍尔元件垂直置于磁场B 中，输入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH 正比于磁感应强度B，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。,27,28,29,图714 开门报警器电路图,4霍尔开关 霍尔开关不但动态特性好，而且环境适应性好，既无机械磨损，又无触点烧蚀缺陷，因而在自动控制及报警器电路中得到广泛应用。图714是一个开

11、门报警器电路。,30,使用开门报警器时，TL3019霍尔传感器装在门框上，磁铁装在门板上，门关闭时TL3019输出保持低电平；门打开时TL3019输出电平由低变高，此正脉冲经0.1F电容延时后加到TLC555单稳态定时器的控制端5和复位端4上，起动定时器循环控制，使发光管TIL220发光、压电报警器发声，形成声、光报警。图中定时器引脚6和7接1.0F电容和5.1M电阻，决定TLC555的RC 时间常数，即决定声、光报警器发出声、光时间的长短（约5秒）。,31,32,第二节 磁敏电阻 磁敏电阻系指利用半导体磁阻效应研制而成的对磁场敏感的元件。如同电阻一样，磁敏电阻也只有两个端子、结构简单，安装方

12、便，因而获得多方面应用。,一、磁阻效应 某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应。引起电阻变化的原因有二，其一是材料的电阻率随磁场增加而增加，称为磁阻率效应；其二是在磁场作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，如图715所示，因而电极间电阻值增加，这种现象称为几何磁阻效应。目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应。,33,图715 几何磁阻效应示意图 （a）L/W1 （b）L/W1 （c）柯比诺元件,34,半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关，如图716所示。由于柯比诺元件为盘形元件，其两电极为圆盘中心和圆周边，电流在两电

13、极间流动时，受磁场影响而呈涡旋形流动，霍尔电场无法建立，因而柯比诺元件可以获得最大磁阻效应，但其电阻值太小实用价值不大。将长方形磁阻元件的L/W比值减小，磁阻效应RB/R0也相应增大，但零磁场下的电阻值R0也要变小。,图716 几何形状与磁阻变化特性,35,为了获得较大的磁阻效应而又有足够大的R0，实际上采用L/W1的多个元件串联，如图717所示平面电极磁敏电阻。,图717 平面电极磁敏电阻,平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟（InSb）半导体薄片上，用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格,这相当于多个L/W1的长方形InSb薄片磁阻元件串联,增加了零磁场电阻R0 ,片与片之间为金属导体，

14、把霍尔电压短路，不能形成电场力，电子运动方向总是斜的，电阻增加的很多，即可以获得较高的磁阻效应。,36,37,38,3磁阻温度系数 磁阻温度系数是指温度每变化1，磁敏电阻的相对变化量。磁阻元件一般都是用半导体InSb制作，其磁阻受温度影响较大。,图719 两磁阻元件串联 三端差分型InSb电阻,为了改善磁阻温度特性，方法之一是在InSb晶体中掺入一定量的锑化镍NiSb，形成InSbNiSb共晶磁阻元件,但掺杂后将导致磁阻灵敏度下降；方法之二是采用两个磁阻元件串联，组成差动式输出，如图719所示，这种方法不但具有温度补偿功能，而且使灵敏度得到提高。,39,40,初态时，将磁铁置于InSb平面电极

15、磁敏电阻中间位置，磁场与InSb受磁平面垂直，此时输出电压为UO ；位移时，磁铁沿平面方向X直线左右平移，此时输出电压UO的变化量UO与直线位移量成正比。利用这种原理可以检测微位移或与微位移有关的其它非电量。,图721是由磁敏电阻构成的磁卡读出器原理电路。图中磁敏电阻MSF06本身带有永久磁铁，两磁阻元件MR1和MR2 接成差动输出方式，可实现对磁卡弱磁场的检测。,41,42,43,磁阻式旋转传感器 磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用四磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理图如下： 当齿轮的齿顶对准MR1，而齿根对准MR2时，MR1的电阻增加，MR

16、2 不变，U0Uin/2；当齿顶（或齿根）在MR1和MR2之间时， U0Uin/2，输出电压波形见图。,44,45,第三节 磁敏二极管 和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的新型半导体磁敏元件。这种磁敏元件具有很高的磁灵敏度（比霍尔元件高数百至数千倍），可以在较弱磁场下工作，这是霍尔元件和磁阻元件所不及的。它不但能检测磁场的大小和方向，且体积小、测试电路简单，特别适合制作漏磁检测、磁力探伤及无触点磁敏开关。,一、磁敏二极管 1基本结构 磁敏二极管是一种PIN型磁敏元件，由硅或锗材料制成，其结构和电路符号如图722所示。,46,图中i 区为本征或接近本征半导体(高阻区），亦称本征区；在本征区的两端用合金法制成重掺杂的P+区和N区；在本征区的一侧采用杂质扩散法或喷砂法制成载流子复合速度很高的r （粗糙）区，亦称高复合区；在高复合区相对的另一侧L保持光滑的无复合表面，亦称光滑面。,（a）基本结构 （b）电路符号 图722 磁敏二极管结构和电路符