传感器原理及应用技术电子教案磁敏传感器市公开课金奖市赛课一等奖课件

第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1 磁敏传感器物理基础磁敏传感器物理基础霍尔、磁阻、形状效应霍尔、磁阻、形状效应4.2 霍尔元件霍尔元件4.3 磁磁 阻阻 元元 件件4.4 磁敏二极管磁敏二极管4.5 磁敏三极管磁敏三极管4.6 磁敏传感器应用磁敏传感器应用思考题与习题思考题与习题 第1页第1页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1 磁敏传感器物理基础磁敏传感器物理基础霍尔、磁阻、霍尔、磁阻、形状效应形状效应4.1.1基础知识在了解和学习磁敏传感器之前,先让我们回顾以下磁现象及其相关公式。磁现象和电现象不同,它特点之一是磁荷（MagneticCharge）不能单独存在,必须是N、S成对存在（而电荷则不然,正电荷和负电荷能够单独存在）,而且在闭区间表面全部磁束（磁力线）进出总和必等于零,即divB=0。第2页第2页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器磁感应强度、电场强度、力三者关系可由公式表示为该式表示运动电荷e从电场E受到力和磁场（磁感应强度B）存在时电流ev(v为电荷速度)所受到力,其中第二项称为洛伦兹力。与这个洛伦兹力相抗衡而产生相反方向电动势就是后面我们将要简介霍尔电压。第3页第3页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器电感L、电流I与它们产生磁束之间关系可表示为=LI当磁束有改变时,在与其相交电路中将产生电动势为第4页第4页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1.2霍尔效应有一如图4.1所表示半导体薄片,若在它两端通以控制电流I,在薄片垂直方向上施加磁感应强度为B磁场,则在薄片另两侧面会产生与I和B乘积成百分比电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。第5页第5页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.1霍尔效应原理图第6页第6页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1.3磁阻效应将一载流导体置于外磁场中,除了产生霍尔效应外,其电阻也会随磁场而改变。这种现象称为磁电阻效应,简称磁阻效应。磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生一个物理效应。当温度恒定期,在弱磁场范围内,磁阻与磁感应强度B平方成正比。对于只有电子参与导电最简朴情况,理论推出磁阻效应表示式为B=0(1+0.273 2B2)式中：B磁感应强度；电子迁移率；0零磁场下电阻率；B磁感应强度为B时电阻率。第7页第7页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器设电阻率改变为=B-0,则电阻率相对改变为由上式可见,磁场一定,迁移率高材料磁阻效应明显。InSb和InAs等半导体载流子迁移率都很高,很适合制作各种磁敏电阻元件。第8页第8页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1.4形状效应磁阻大小除了与材料相关外,还和磁敏元件几何形状相关。在考虑到形状影响时,电阻率相对改变与磁感应强度和迁移率关系能够近似用下式表示：式中：f(lb)为形状效应系数；l为磁敏元件长度；b为磁敏元件宽度。这种由于磁敏元件几何尺寸改变而引起磁阻大小改变现象,叫形状效应。第9页第9页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2 霍尔元件霍尔元件4.2.1霍尔元件工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作。霍尔效应产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用结果。第10页第10页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器如图4.1所表示,假设在N型半导体薄片上通以电流I,那么,半导体中载流子（电子）将沿着和电流相反方向运动。若在垂直于半导体薄片平面方向上加以磁场B,则由于洛伦兹力fL(fL=evB。e：电子电量；v：电子速度；B：磁感应强度)作用,电子向一边偏转（图中虚线方向）,并使该边形成电子积累,而另一边则积累正电荷,于是产生电场。该电场制止运动电子继续偏转,当电场作用在运动电子上力fE(fE=eUHl)与洛伦兹力fL相等时,电子积累便达到动态平衡。第11页第11页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器这时,在薄片两横端面之间建立电场称为霍尔电场EH,相应电势就称为霍尔电势UH,其大小可用下式表示：(4.1)式中：RH霍尔常数（米3库仑,即m3C）；I控制电流（安培,即A）；B磁感应强度（特斯拉,即T）；d霍尔元件厚度（米,即m）。令(伏米2(安韦伯),即Vm2(AWb)(4.2)KH称为霍尔元件灵敏度。于是 UH=KHIB (4.3)第12页第12页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器由上式可知,霍尔电势大小正比于控制电流I和磁感应强度B。霍尔元件灵敏度KH是表征相应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小一个主要参数,普通要求它越大越好。KH与元件材料性质和几何尺寸相关。由于半导体（尤其是N型半导体）霍尔常数RH要比金属大得多,因此在实际应用中,普通都采用N型半导体材料做霍尔元件。元件厚度d对灵敏度影响也很大,元件越薄,灵敏度就越高。由式（4.3）可见,当控制电流方向或磁场方向改变时,输出电势方向也将改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势极性不变。第13页第13页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器需要指出是,在上述公式中,施加在霍尔元件上磁感应强度为B磁场是垂直于薄片,即磁感应强度B方向和霍尔元件平面法线是一致。当磁感应强度B和元件平面法线成一角度时,作用在元件上有效磁场是其法线方向分量（即Bcos）,这时,UH=KHIBcos。4.2.2霍尔元件结构霍尔元件结构很简朴,它由霍尔片、引线和壳体构成。霍尔片是一块矩形半导体薄片,普通采用N型锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成,见图4.2。在长边两个端面上焊有两根控制电流端引线（见图中1,1）,在元件短边中间以点形式焊有两根霍尔电压输出端引线（见图中2,2）。焊接处要求接触电阻小,且呈纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片普通用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。第14页第14页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.2霍尔元件示意图第15页第15页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2.3基本电路通常,在电路中,霍尔元件可用如图4.3所表示几种符号表示。标注时,国产器件惯用H代表霍尔元件,后面字母代表元件材料,数字代表产品序号。如HZ-1元件,阐明是用锗材料制成霍尔元件；HT-1元件,阐明是用锑化铟材料制成元件。惯用霍尔元件及其参数见本节后面表4.1。图4.4示出了霍尔元件基本电路。控制电流由电源E供应；R为调整电阻,用于调整控制电流大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf能够是普通电阻,也能够是放大器输入电阻或批示器内阻。在磁场与控制电流作用下,负载上就有电压输出。在实际使用时,I、B或两者同时作为信号输入,而输出信号则正比于I或B,或正比于两者乘积。第16页第16页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.3霍尔元件符号第17页第17页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.4霍尔元件基本电路第18页第18页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器建立霍尔效应所需时间很短（约10-1210-14s）,因此控制电流用交流时,频率能够很高（几千兆赫）。在实际应用中,霍尔元件能够在恒压或恒流条件下工作,其特性不同。终究应用采取哪种方式，要依据用途来选择。1.恒压工作如图4.5所表示,恒压工作比恒流工作性能要差些,只适合用于对精度要求不太高地方。第19页第19页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器当 使 用 SHS210霍 尔 元 件 时,工 作 在 1V、1kGs(1Gs=10-4T)时,输出电压为2155mV,偏移电压为7%（最大）（1.473.85mV）。无磁场时偏移电压不变,在弱磁场下工作不利。偏移电压能够调整为零,但与运算放大器同样,并不能清除其漂移成份。在恒压条件下性能不好主要原由于霍尔元件输入电阻随温度改变和磁阻效应影响。输入电阻温度系数因霍尔元件材料型号而异,GaAs型为0.3%(最大),InSb型为-2%（最大）。第20页第20页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.5恒压工作霍尔传感器电路第21页第21页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器恒压工作控制电流为Rsr为霍尔元件输入电阻。对GaAs霍尔元件而言,温度上升则电阻值变大（+0.3%）,控制电流减小。若电阻改变使控制电流改变-0.3%(最大),加上若恒流工作时恒流源本身改变-0.06%,其温度特性就显得很不好。对于InSb霍尔元件而言,若恒压工作时恒压源本身温度系数为-2%（最大）,与电阻改变+2%互相抵消,则元件温度系数反而变小。第22页第22页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器2.恒流工作为了充足发浪费尔传感器性能,最好使用恒流源供电,即恒流工作,电路如图4.6所表示。在恒流工作下,没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应影响。恒流工作时偏移电压稳定性比恒压工作时差些。尤其是InSb霍尔元件,由于输入电阻温度系数大,偏移电压影响更为明显。对电路图中THS103AGaAs霍尔元件,在5mA工作电流、1kGs下,输出电压50120mA，此时偏移电压为10%（512mV）。第23页第23页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.6恒流工作霍尔传感器电路第24页第24页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器3.差分放大霍尔元件输出电压普通为数毫伏到数百毫伏,需要用放大电路放大其输出电压。图4.7所表示为放大电路一个例子。霍尔元件是四端器件,为了清除同相电压,需要使用差分放大器。在图4.7（a）中,使用一个运算放大器时,霍尔元件输出电阻不小于运算放大器输入电阻,这样就会产生误差。图4.7(b)中使用三个运算放大器,则没有这个问题。第25页第25页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.7霍尔传感器测量电路第26页第26页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.7霍尔传感器测量电路第27页第27页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器在图4.7中,霍尔传感器输出电压既能够是交流也能够是直流。若只是交流,则可使用图4.8所表示电路形式。在这种电路中,直流成份被电容隔离。对于图4.8(a)所表示电路,R2值很大,应选取漏电流小电容。由于C2漏电流大,而C1几乎没有电流,其差表现为偏移电压。在图4.8(b)所表示电路中,C1和C2漏电流相等,漏电流影响被减轻。在图4.8(c)所表示电路中,电容上几乎没有直流电压成份,故漏电流为最小,且放大器输入电阻值很大。第28页第28页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.8霍尔传感器输出为交流时放大电路第29页第29页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.8霍尔传感器输出为交流时放大电路第30页第30页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.8霍尔传感器输出为交流时放大电路第31页第31页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2.4电磁特性霍尔元件电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间关系,霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间关系等。1.H-I特性固定磁场B,在一定温度下,霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系（见图4.9）。直线斜率称为控制电流灵敏度,用KI表示。按照定义,控制电流灵敏度KI为（4.4）由UH=KHIB,可得到KI=KHB (4.5)第32页第32页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器由上式可知,霍尔元件灵敏度KH越大,控制电流灵敏度也就越大。但灵敏度大元件,其霍尔输出并不一定大。这是由于霍尔电势在B固定期,不但与KH相关,还与控制电流相关。因此,即使灵敏度不大元件,假如在较大控制电流下工作,那么同样能够得到较大霍尔输出。2.UH-B特性固定控制电流,元件开路霍尔输出随磁场增长并不完全呈线性关系,而有所偏离。通常,霍尔元件工作在0.5Wbm2下列时线性度较好,如图4.10所表示。使用中,若对线性度要求很高时,可采用HZ-4,它线性偏离普通小于0.2%。第33页第33页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.9霍尔元件UH-I特性曲线第34页第34页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器图4.10霍尔元件UH-B特性曲线第35页第35页第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.2.5误差分析及误差补偿1.不等位电势及其补偿不等位电势是一个主要零位误差。由于在制作霍尔元件时,不也许确保将霍尔电极焊在同一等位面上,如图4.11所表示,因此,当控制电流I流过元件时,即使磁场强度B等于零,在霍尔电极上仍有电势存在,该电