《感測技術(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、測量電路 四、誤差及其補償 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 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖當磁場垂直于薄片時，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、霍爾電勢方向的端面之間建立起霍爾電勢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在半導(dǎo)體薄片上垂直施加磁場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，則在薄片兩長邊，則在薄片兩長邊L方向產(chǎn)生方向產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電電動勢，這種現(xiàn)象稱之為霍爾效應(yīng)，該電動勢稱為霍爾電壓壓UH ，該半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。 霍爾效應(yīng)原理圖v ：半導(dǎo)體中電子在控制電流I作用下的運動方向和速度FL ：電子受到磁場：電子受到磁場的洛倫茲力的洛倫茲力，其大小為qvBFLFE： 霍爾電場的電場力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 霍爾元件長度（m） b 霍爾元件寬度（m） I 控制電流（A） B 磁感應(yīng)強度（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)強度和磁感應(yīng)強度B。 令 ，稱之為霍爾元件靈敏度，則改寫為bLfdRKHHHIBKUHH霍爾元件 d越小，即霍爾元件約薄，靈敏度越高 1UHI 特性 當KH 和B為定值時，在一定的溫度下，霍爾電壓UH 與控制電流I 有較好的線性關(guān)系霍爾元件可直接用于測量電流或激勵源電壓可直接用于測

4、量電流或激勵源電壓 2UHB 特性 當KH 和I 為定值時，霍爾電壓UH 與磁場B 具有單值關(guān)系，在磁不飽和時（一般B小于0.5T） UB 與B 具有線性關(guān)系。利用這一特性，霍爾元件可用于測量交、直流磁感應(yīng)強度可用于測量交、直流磁感應(yīng)強度或磁場強度或磁場強度； 二、霍爾元件的基本特性IBKUHH利用鋼環(huán)將磁場集中到霍爾元件上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，當控制電流I 和磁場B 為同一電源激勵時，可利用霍爾可利用霍爾元件進行電源輸出功率的測量元

5、件進行電源輸出功率的測量。 4開關(guān)特性 霍爾元件霍爾效應(yīng)的建立時間極短（10121014 S），適宜于作高頻信號的檢測或無觸點開關(guān)，利用這一特性，霍爾元件可用于制作計數(shù)器或轉(zhuǎn)速計可用于制作計數(shù)器或轉(zhuǎn)速計。 5集成特性 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無活動部件，便于與測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電壓為Ub，電流為Ib，兩者相位差為。同時，由Ub通過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、測量電路 霍爾元件基本測量電路如圖74所示?；魻栯妷篣H 一般為毫伏數(shù)量級，因而實際應(yīng)用時霍爾效應(yīng)輸出電壓UH 要接差動放大器；根據(jù)霍爾元件工作條件不同，霍爾電壓可以是線性量或開關(guān)量，因而其測量電路可能是線性型或開關(guān)型。（a）線性型 （b）開關(guān)型 霍爾元件測量電路 四、誤差及其補償 1零

7、位誤差及其補償 霍爾元件在控制電流I=0或磁場B=0時出現(xiàn)的霍爾電壓UH ，稱之為零位誤差。引起零位誤差的原因主要有如下三個因素。 （1）直流寄生電勢 霍爾元件控制電流或霍爾電壓兩引線電極焊點兩引線電極焊點大小不等、熱容量不同,或接觸不良、歐姆電阻大小不等，因而引起溫差電勢引起溫差電勢。提高電極焊點結(jié)構(gòu)上的對稱性，保持電極引線接觸良好，且散熱條件相同，可以減小這種直流寄生電勢。 （2）寄生感應(yīng)電勢 當控制電流I 為交變電流時,此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢。為了減小寄生感應(yīng)電勢,要求各電極引線盡可能短,且布線合理以減少磁交鏈。 （3）不等位電勢

8、霍爾元件控制電流I 和霍爾電壓UH 的四電極分布不對四電極分布不對稱而引起的寄生不等位電勢稱而引起的寄生不等位電勢 霍爾元件不等位電勢原理圖 a）不對稱電極 （b）電極等效電橋 不等位電勢是產(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)量級必須采取電路補償?shù)姆椒ㄒ韵坏任浑妱荩╝）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)電阻不等位電勢補償電路高斯計原理圖 電流計原理圖 2電流計（電壓計） 測I或U 六、霍爾傳感器的應(yīng)用 1高斯計 測B直放式（開環(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)速計原理圖 3轉(zhuǎn)速計霍爾元件上獲

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，此脈沖電壓單位時間內(nèi)的個數(shù)，正比于轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的檢測；轉(zhuǎn)盤上磁鐵對數(shù)越多，傳感器測速的分辨率越高 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；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關(guān)IBKUHHkxB 某霍爾式壓力計中，彈簧最大位移為1.5mm 控制電流I=10mA，要求傳感器輸出電動勢為20mV選用霍爾元件靈敏度系數(shù)KH= 1.2mV/(mA T)求所要求線性磁場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時要求磁場強度變化B=1.67T因此磁場梯度為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)體材料在磁場作用下，不但產(chǎn)生霍爾效應(yīng)，而且其電阻值也隨磁場變化其電阻值也隨磁場變化，這種現(xiàn)象稱之為磁阻效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱之為磁阻效應(yīng)。引起電阻變化的原因有二，其一是材料的電阻率隨磁場增電阻率隨磁場增加而增加，稱為磁阻率效應(yīng)加而增加，稱為磁阻率效應(yīng)；其二是在磁場作用下，通過在磁場作用下，通過磁敏電阻電流的路徑變長，因而電極間電阻值增加，這種磁敏電

11、阻電流的路徑變長，因而電極間電阻值增加，這種現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)。目前實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形元件，其兩電極為圓盤中心和圓周邊，電流在兩電極間流動時，受磁場影響而呈渦旋形流動，霍爾電場無法建立，因而柯比諾元件可以獲得最大磁阻效應(yīng)，但其電阻值太小實用價值不大。將長方形磁阻元件的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，實際上采用L/W1的多個元件串聯(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平行等間距的金屬條構(gòu)成柵格,這相當于多個L/W1的長方形InSb薄片磁阻元件串聯(lián),既增加了零磁場電阻R0 ,又可以獲得較高的磁阻效應(yīng)。 磁阻特性曲線 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稱為磁敏電阻的靈敏度，其中R0為無磁場時磁阻元件的阻值，RB是磁感應(yīng)強度為B 時磁阻元件的阻值。 2磁阻特性由特性曲線可知，磁阻元件對正、負磁場的作用具備相同的靈敏度 無偏置磁場檢測磁場不能判別磁性外加偏

13、置磁場時相當在檢測磁場外加了偏置磁場工作點移到線性區(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：采用組成差動式輸出，這種方法不但具有溫度補償功能，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)用于無觸點電位差計、直線位移傳感器、轉(zhuǎn)速計、非接觸電流監(jiān)視電路等方面。磁敏電阻測直線位移初態(tài)時磁鐵置于磁敏電阻中間位置此時輸出電壓為UO 位移時，磁鐵沿平面方向X直線左右平移，此時輸出電壓

14、UO的變化量UO與直線位移量成正比可以檢測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)，亦稱高復(fù)合區(qū)；在高復(fù)合區(qū)相對的另一側(cè)L保持光滑的無復(fù)合表面，光滑面（a）基本結(jié)構(gòu) （b）電路符號 磁敏二極管結(jié)構(gòu)和電路符號 2工作原理 磁敏二極管是利用磁阻效應(yīng)進行磁電轉(zhuǎn)換的。磁敏二磁敏二極管工作時需

15、加正向偏壓極管工作時需加正向偏壓，即P+區(qū)接正、N區(qū)接負；此時磁敏二極管電阻大小決定于磁場的大小和方向。當磁敏二極管反向偏置時，將呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，與磁場的作用無關(guān)。正向磁場無磁場反向磁場 磁敏二極管伏安特性 3主要特性 （1）伏安特性 在給定的磁場下，磁敏二極管正向偏壓與偏流的關(guān)系被稱為磁敏二極管的伏安特性。在正向偏壓一定時，正向磁場越大、磁阻越大、偏流越小；反向磁揚越大、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的關(guān)系單只磁敏二極管正向磁場下輸出電壓的靈敏度大于反向磁場下的靈敏度，且在B0.1T 期間具有較

16、好的線性關(guān)系磁敏二極管對弱磁場具有較好的磁電特性和較高的磁靈敏度。若要獲得更大的線性工作范圍，可采用兩管互補使用。 磁敏二極管磁電特性 4溫度特性及補償 由于磁敏二極管是由鍺和硅材料制成，因而溫度對磁敏二極管性能參數(shù)的影響較大，在使用磁敏二極管時，必須采取相應(yīng)的溫度補償措施，常用的補償電路如圖 磁敏二極管溫度補償電路 當磁敏二極管單管使用單管使用時，可采用與磁敏二極管溫度特性相同的熱敏電阻串聯(lián)電路補償。如圖726（a）所示，此時溫度引起熱敏電阻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中無溫漂。 當采用兩只磁敏二極管工作兩只磁敏二極管工作時，可選擇兩只磁電特性相同的磁敏二極管接成差動半橋的方式補償。如圖726（b）所示，此時兩磁敏二極管的磁敏感面應(yīng)相對或背向放置，即兩管感受相反極性的磁場作用