《感測(cè)技術(shù)》第七章磁電傳感器

1、 第七章 磁電傳感器第一節(jié) 霍爾傳感器 一、霍爾效應(yīng) 二、霍爾元件的基本特性 三、測(cè)量電路 四、誤差及其補(bǔ)償 五、集成霍爾傳感器 六、霍爾傳感器的應(yīng)用第二節(jié) 磁敏電阻 一、磁阻效應(yīng) 二、磁敏電阻的基本特性 三、磁敏電阻的應(yīng)用 第三節(jié) 磁敏二極管和磁敏三極管 一、磁敏二極管 二、磁敏管的應(yīng)用 第七章 磁電傳感器 第一節(jié) 霍爾傳感器 霍爾在1879年首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng) 某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)十分顯著霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起

2、霍爾電勢(shì)方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)c cd da ab b 一、霍爾效應(yīng) 如圖所示，在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場(chǎng)在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場(chǎng)B，在薄片，在薄片兩短邊兩短邊b方向通入控制電流方向通入控制電流I，則在薄片兩長(zhǎng)邊，則在薄片兩長(zhǎng)邊L方向產(chǎn)生方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電壓壓UH ，該半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霍爾元件。 霍爾效應(yīng)原理圖v ：半導(dǎo)體中電子在控制電流I作用下的運(yùn)動(dòng)方向和速度FL ：電子受到磁場(chǎng)：電子受到磁場(chǎng)的洛倫茲力的洛倫茲力，其大小為qvBFLFE： 霍爾電場(chǎng)的電場(chǎng)力ELFF式中 RH 霍爾常數(shù)（m3/c）

3、霍爾元件形狀系數(shù) d 霍爾元件厚度（m） L 霍爾元件長(zhǎng)度（m） b 霍爾元件寬度（m） I 控制電流（A） B 磁感應(yīng)強(qiáng)度（特斯拉T，即Wb/m2）bLIBfdRUHHH 霍爾電壓UH 的大小為bLfH霍爾元件的半導(dǎo)體材料性能及幾何尺寸確定后，霍爾元件的輸出電壓輸出電壓UH 正比于控制電流正比于控制電流I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 令 ，稱(chēng)之為霍爾元件靈敏度，則改寫(xiě)為bLfdRKHHHIBKUHH霍爾元件 d越小，即霍爾元件約薄，靈敏度越高 1UHI 特性 當(dāng)KH 和B為定值時(shí)，在一定的溫度下，霍爾電壓UH 與控制電流I 有較好的線(xiàn)性關(guān)系霍爾元件可直接用于測(cè)量電流或激勵(lì)源電壓可直接用于測(cè)

4、量電流或激勵(lì)源電壓 2UHB 特性 當(dāng)KH 和I 為定值時(shí)，霍爾電壓UH 與磁場(chǎng)B 具有單值關(guān)系，在磁不飽和時(shí)（一般B小于0.5T） UB 與B 具有線(xiàn)性關(guān)系。利用這一特性，霍爾元件可用于測(cè)量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度可用于測(cè)量交、直流磁感應(yīng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度； 二、霍爾元件的基本特性IBKUHH利用鋼環(huán)將磁場(chǎng)集中到霍爾元件上IxBK IIBKUHHHIxK IK IxKI式中：I是霍爾元件的控制電流， K=KHKII是電流表的靈敏度。 3UHIB 特性 利用UH 與IB 的乘積關(guān)系，霍爾元件可作成乘法器，當(dāng)控制電流I 和磁場(chǎng)B 為同一電源激勵(lì)時(shí)，可利用霍爾可利用霍爾元件進(jìn)行電源輸出功率的測(cè)量元

5、件進(jìn)行電源輸出功率的測(cè)量。 4開(kāi)關(guān)特性 霍爾元件霍爾效應(yīng)的建立時(shí)間極短（10121014 S），適宜于作高頻信號(hào)的檢測(cè)或無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，利用這一特性，霍爾元件可用于制作計(jì)數(shù)器或轉(zhuǎn)速計(jì)可用于制作計(jì)數(shù)器或轉(zhuǎn)速計(jì)。 5集成特性 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)活動(dòng)部件，便于與測(cè)量電路一起作成集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器。霍爾式功率變換器原理被測(cè)電壓為Ub，電流為Ib，兩者相位差為。同時(shí)，由Ub通過(guò)R產(chǎn)生霍爾元件的控制電流I。bUIK UbUIK U即：bmUiK USin t電流Ib產(chǎn)生的磁場(chǎng)為：HHuK iB()HUbmBbmK K USin tK ISint(2)2HUbmBbmCosCostK K

6、 UK I(2)b bKU ICosCost式中：K=KHKUKB，Ub、Ib為有效值)t(sinbmBIKB(2)Hb buKU ICosCost(2)Hb bb buKU I CosKU I Cost利用濾波器濾去二倍頻交流分量，則最終的輸出為b buKU I CosKP濾波器的輸出與有用功率成正比。 三、測(cè)量電路 霍爾元件基本測(cè)量電路如圖74所示?；魻栯妷篣H 一般為毫伏數(shù)量級(jí)，因而實(shí)際應(yīng)用時(shí)霍爾效應(yīng)輸出電壓UH 要接差動(dòng)放大器；根據(jù)霍爾元件工作條件不同，霍爾電壓可以是線(xiàn)性量或開(kāi)關(guān)量，因而其測(cè)量電路可能是線(xiàn)性型或開(kāi)關(guān)型。（a）線(xiàn)性型 （b）開(kāi)關(guān)型 霍爾元件測(cè)量電路 四、誤差及其補(bǔ)償 1零

7、位誤差及其補(bǔ)償 霍爾元件在控制電流I=0或磁場(chǎng)B=0時(shí)出現(xiàn)的霍爾電壓UH ，稱(chēng)之為零位誤差。引起零位誤差的原因主要有如下三個(gè)因素。 （1）直流寄生電勢(shì) 霍爾元件控制電流或霍爾電壓兩引線(xiàn)電極焊點(diǎn)兩引線(xiàn)電極焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同,或接觸不良、歐姆電阻大小不等，因而引起溫差電勢(shì)引起溫差電勢(shì)。提高電極焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，保持電極引線(xiàn)接觸良好，且散熱條件相同，可以減小這種直流寄生電勢(shì)。 （2）寄生感應(yīng)電勢(shì) 當(dāng)控制電流I 為交變電流時(shí),此電流形成的交變磁場(chǎng)在電極引線(xiàn)上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢(shì)電極引線(xiàn)上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢(shì)。為了減小寄生感應(yīng)電勢(shì),要求各電極引線(xiàn)盡可能短,且布線(xiàn)合理以減少磁交鏈。 （3）不等位電勢(shì)

8、霍爾元件控制電流I 和霍爾電壓UH 的四電極分布不對(duì)四電極分布不對(duì)稱(chēng)而引起的寄生不等位電勢(shì)稱(chēng)而引起的寄生不等位電勢(shì) 霍爾元件不等位電勢(shì)原理圖 a）不對(duì)稱(chēng)電極 （b）電極等效電橋 不等位電勢(shì)是產(chǎn)生零位誤差的主要原因，其大小通常具有霍爾電壓UH 相同的數(shù)量級(jí)必須采取電路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ韵坏任浑妱?shì)（a）是電阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（b）是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路高斯計(jì)原理圖 電流計(jì)原理圖 2電流計(jì)（電壓計(jì)） 測(cè)I或U 六、霍爾傳感器的應(yīng)用 1高斯計(jì) 測(cè)B直放式（開(kāi)環(huán)）電流傳感器 磁平衡式（閉環(huán)）電流傳感器 霍爾電壓（閉環(huán)）傳感器 鉗形電流表電流傳感器轉(zhuǎn)速計(jì)原理圖 3轉(zhuǎn)速計(jì)霍爾元件上獲

9、得周期變化的磁脈沖，因而產(chǎn)生相應(yīng)的霍爾脈沖電壓，此脈沖電壓?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的個(gè)數(shù)，正比于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)；轉(zhuǎn)盤(pán)上磁鐵對(duì)數(shù)越多，傳感器測(cè)速的分辨率越高 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤(pán)；3小磁鐵；4霍爾傳感器霍爾轉(zhuǎn)速表霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾接近開(kāi)關(guān)IBKUHHkxB 某霍爾式壓力計(jì)中，彈簧最大位移為1.5mm 控制電流I=10mA，要求傳感器輸出電動(dòng)勢(shì)為20mV選用霍爾元件靈敏度系數(shù)KH= 1.2mV/(mA T)求所要求線(xiàn)性磁場(chǎng)在彈簧伸縮方向的梯度為多大 UH = KH BIB=

10、 UH / (KH I)=20/(1.210)=1.67TX=1.5mm時(shí)要求磁場(chǎng)強(qiáng)度變化B=1.67T因此磁場(chǎng)梯度為B/X=1.67T/1.5mm=1.11T/mm 第二節(jié) 磁敏電阻 一、磁阻效應(yīng)某些半導(dǎo)體材料在磁場(chǎng)作用下，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且某些半導(dǎo)體材料在磁場(chǎng)作用下，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且其電阻值也隨磁場(chǎng)變化其電阻值也隨磁場(chǎng)變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為磁阻效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為磁阻效應(yīng)。引起電阻變化的原因有二，其一是材料的電阻率隨磁場(chǎng)增電阻率隨磁場(chǎng)增加而增加，稱(chēng)為磁阻率效應(yīng)加而增加，稱(chēng)為磁阻率效應(yīng)；其二是在磁場(chǎng)作用下，通過(guò)在磁場(chǎng)作用下，通過(guò)磁敏電阻電流的路徑變長(zhǎng)，因而電極間電阻值增加，這種磁敏電

11、阻電流的路徑變長(zhǎng)，因而電極間電阻值增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為幾何磁阻效應(yīng)現(xiàn)象稱(chēng)為幾何磁阻效應(yīng)。目前實(shí)用的磁阻元件主要是利用半導(dǎo)體的幾何磁阻效應(yīng)。 幾何磁阻效應(yīng)示意圖（a）L/W1 （b）L/W1 （c）柯比諾元件半導(dǎo)體材料的幾何磁阻效應(yīng)與材料的幾何形狀和尺寸有關(guān)半導(dǎo)體材料的幾何磁阻效應(yīng)與材料的幾何形狀和尺寸有關(guān)由于柯比諾元件為盤(pán)形元件，其兩電極為圓盤(pán)中心和圓周邊，電流在兩電極間流動(dòng)時(shí)，受磁場(chǎng)影響而呈渦旋形流動(dòng)，霍爾電場(chǎng)無(wú)法建立，因而柯比諾元件可以獲得最大磁阻效應(yīng)，但其電阻值太小實(shí)用價(jià)值不大。將長(zhǎng)方形磁阻元件的L/W比值減小，磁阻效應(yīng)RB/R0也相應(yīng)增大，但零磁場(chǎng)下的電阻值R0也要變小。 幾何形狀與磁阻

12、變化特性 為了獲得較大的磁阻效應(yīng)而又有足夠大的R0，實(shí)際上采用L/W1的多個(gè)元件串聯(lián)平面電極磁敏電阻 平面電極磁敏電阻通常是在銻化銦（InSb）半導(dǎo)體薄片上，用光刻的方法制作多個(gè)平行等間距的金屬條構(gòu)成柵格,這相當(dāng)于多個(gè)L/W1的長(zhǎng)方形InSb薄片磁阻元件串聯(lián),既增加了零磁場(chǎng)電阻R0 ,又可以獲得較高的磁阻效應(yīng)。 磁阻特性曲線(xiàn) 二、磁敏電阻的基本特性 1磁阻靈敏度 通常把磁敏電阻的比值RB/R0稱(chēng)為磁敏電阻的靈敏度，其中R0為無(wú)磁場(chǎng)時(shí)磁阻元件的阻值，RB是磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 時(shí)磁阻元件的阻值。 2磁阻特性由特性曲線(xiàn)可知，磁阻元件對(duì)正、負(fù)磁場(chǎng)的作用具備相同的靈敏度 無(wú)偏置磁場(chǎng)檢測(cè)磁場(chǎng)不能判別磁性外加偏

13、置磁場(chǎng)時(shí)相當(dāng)在檢測(cè)磁場(chǎng)外加了偏置磁場(chǎng)工作點(diǎn)移到線(xiàn)性區(qū)磁極性也作為電阻值變化表現(xiàn) 3磁阻溫度系數(shù) 磁阻溫度系數(shù)是指溫度每變化1，磁敏電阻的相對(duì)變化量。磁阻元件一般都是用半導(dǎo)體InSb制作，其磁阻受溫度影響較大。 兩磁阻元件串聯(lián) 為了改善磁阻溫度特性，方法之一：摻雜，將導(dǎo)致磁阻靈敏度下降方法之二：采用組成差動(dòng)式輸出，這種方法不但具有溫度補(bǔ)償功能，且使靈敏度得到提高 三、磁敏電阻的應(yīng)用利用磁敏電阻的磁阻特性，可以應(yīng)用于無(wú)觸點(diǎn)電位差計(jì)、直線(xiàn)位移傳感器、轉(zhuǎn)速計(jì)、非接觸電流監(jiān)視電路等方面。磁敏電阻測(cè)直線(xiàn)位移初態(tài)時(shí)磁鐵置于磁敏電阻中間位置此時(shí)輸出電壓為UO 位移時(shí)，磁鐵沿平面方向X直線(xiàn)左右平移，此時(shí)輸出電壓

14、UO的變化量UO與直線(xiàn)位移量成正比可以檢測(cè)微位移或與微位移有關(guān)的其它非電量 第三節(jié) 磁敏二極管 磁敏二極管和磁敏三極管 具有很高的磁靈敏度（比霍爾元件高數(shù)百至數(shù)千倍） 可以在較弱磁場(chǎng)下工作 一、磁敏二極管 1基本結(jié)構(gòu) 磁敏二極管是一種PIN型磁敏元件，由硅或鍺材料制成i 區(qū)為本征或接近本征半導(dǎo)體，亦稱(chēng)本征區(qū)本征區(qū)的兩端用合金法制成高摻雜的P+區(qū)和N區(qū)在本征區(qū)的一側(cè)采用制成載流子復(fù)合速度很高的r區(qū)，亦稱(chēng)高復(fù)合區(qū)；在高復(fù)合區(qū)相對(duì)的另一側(cè)L保持光滑的無(wú)復(fù)合表面，光滑面（a）基本結(jié)構(gòu) （b）電路符號(hào) 磁敏二極管結(jié)構(gòu)和電路符號(hào) 2工作原理 磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的。磁敏二磁敏二極管工作時(shí)需

15、加正向偏壓極管工作時(shí)需加正向偏壓，即P+區(qū)接正、N區(qū)接負(fù)；此時(shí)磁敏二極管電阻大小決定于磁場(chǎng)的大小和方向。當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，將呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，與磁場(chǎng)的作用無(wú)關(guān)。正向磁場(chǎng)無(wú)磁場(chǎng)反向磁場(chǎng) 磁敏二極管伏安特性 3主要特性 （1）伏安特性 在給定的磁場(chǎng)下，磁敏二極管正向偏壓與偏流的關(guān)系被稱(chēng)為磁敏二極管的伏安特性。在正向偏壓一定時(shí)，正向磁場(chǎng)越大、磁阻越大、偏流越??；反向磁揚(yáng)越大、磁阻越小、偏流越大。在一定的偏壓范圍內(nèi)，伏安特性有近似的線(xiàn)性關(guān)系。 （2）磁電特性 磁電特性是指磁敏二極管輸出電壓變化量與外加磁場(chǎng)的關(guān)系單只磁敏二極管正向磁場(chǎng)下輸出電壓的靈敏度大于反向磁場(chǎng)下的靈敏度，且在B0.1T 期間具有較

16、好的線(xiàn)性關(guān)系磁敏二極管對(duì)弱磁場(chǎng)具有較好的磁電特性和較高的磁靈敏度。若要獲得更大的線(xiàn)性工作范圍，可采用兩管互補(bǔ)使用。 磁敏二極管磁電特性 4溫度特性及補(bǔ)償 由于磁敏二極管是由鍺和硅材料制成，因而溫度對(duì)磁敏二極管性能參數(shù)的影響較大，在使用磁敏二極管時(shí)，必須采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)償措施，常用的補(bǔ)償電路如圖 磁敏二極管溫度補(bǔ)償電路 當(dāng)磁敏二極管單管使用單管使用時(shí)，可采用與磁敏二極管溫度特性相同的熱敏電阻串聯(lián)電路補(bǔ)償。如圖726（a）所示，此時(shí)溫度引起熱敏電阻Rt和磁敏二極管D的電壓增量相同，串聯(lián)分壓結(jié)果輸出電壓Uo中無(wú)溫漂。 當(dāng)采用兩只磁敏二極管工作兩只磁敏二極管工作時(shí)，可選擇兩只磁電特性相同的磁敏二極管接成差動(dòng)半橋的方式補(bǔ)償。如圖726（b）所示，此時(shí)兩磁敏二極管的磁敏感面應(yīng)相對(duì)或背向放置，即兩管感受相反極性的磁場(chǎng)作用