傳感器及檢測(cè)技術(shù)課件-第5章

第5章磁敏傳感器及檢測(cè)5.1概述5.2磁敏檢測(cè)方法5.3霍爾傳感器 5.1概述

磁敏傳感器,顧名思義就是對(duì)磁信號(hào)變化敏感的傳感器。磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,￠)敏感的元器件或裝置,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能,它們的主要作用是在有效范圍內(nèi)感知磁性物體的存在或者磁性強(qiáng)度。這些磁性材料除永磁體外,還包括順磁材料(鐵、鈷、鎳及其它們的合金),可以感知磁場(chǎng)的變化,當(dāng)然也可包括感知通電(直、交)線包或?qū)Ь€周圍的磁場(chǎng)。 5.2磁敏檢測(cè)方法

5.2.1磁電感應(yīng)法測(cè)磁場(chǎng)

磁電感應(yīng)法測(cè)磁場(chǎng)的理論基礎(chǔ)為電磁感應(yīng)定律。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,當(dāng)導(dǎo)體在穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)中沿垂直磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為(5－1)式中:B——穩(wěn)恒均勻磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度;

l——導(dǎo)體有效長(zhǎng)度;

v——導(dǎo)體相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理,采用某些特殊技術(shù)研制成的測(cè)磁裝置,可用于測(cè)量交變場(chǎng)中的磁場(chǎng)變化率。即穿過(guò)某一線圈的變化磁通將在線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),如圖5－1所示,若被測(cè)磁場(chǎng)是交流磁場(chǎng),且按正弦規(guī)律變化,則穿過(guò)測(cè)量線圈的磁通也按正弦規(guī)律變化,即(5－2)在線圈兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為(5－3)可求出(5－4)圖5－1磁電感應(yīng)法測(cè)磁場(chǎng)原理式中:ω——被測(cè)磁場(chǎng)的角頻率;

N——被測(cè)線圈的匝數(shù);

U——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的有效值。

如果能夠測(cè)量出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的有效值U,再算出穿過(guò)線圈的磁通幅值￠m,若測(cè)量線圈的面積是S,則被測(cè)磁場(chǎng)的感應(yīng)強(qiáng)度的幅值Bm和磁場(chǎng)的幅值Hm為(5－5)(5－6)根據(jù)以上原理,人們?cè)O(shè)計(jì)出兩種磁電式傳感器結(jié)構(gòu):變磁通式和恒磁通式。

變磁通式又稱為磁阻式,圖5－2所示是變磁通式磁電傳感器,用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。其中,(a)圖為開磁路變磁通式,線圈、磁鐵靜止不動(dòng),測(cè)量齒輪安裝在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上,隨被測(cè)體一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒,齒的凹凸引起磁路磁阻變化一次,磁通也就變化一次,線圈中所產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)的變化頻率等于被測(cè)轉(zhuǎn)速與測(cè)量齒輪上齒數(shù)的乘積。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但輸出信號(hào)較小,且因高速軸上加裝齒輪較危險(xiǎn)而不宜測(cè)量高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。(b)圖為閉磁路變磁通式傳感器,它由裝在轉(zhuǎn)軸上的內(nèi)齒輪和外齒輪、永久磁鐵和感應(yīng)線圈組成,內(nèi)、外齒輪齒數(shù)相同。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)轉(zhuǎn)軸上時(shí),外齒輪不動(dòng),內(nèi)齒輪隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng),內(nèi)、外齒輪的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使氣隙磁阻產(chǎn)生周期性變化,從而引起磁路中磁通的變化,使線圈內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。顯然,感應(yīng)電勢(shì)的頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比。圖5－2變磁通式磁電感應(yīng)傳感器5.2.2磁通門磁強(qiáng)計(jì)測(cè)磁場(chǎng)

磁通門式磁敏傳感器又稱為磁飽和式磁敏傳感器。它是利用某些高導(dǎo)磁率的軟磁性材料(如坡莫合金)作磁芯,以其在交變磁場(chǎng)作用下的磁飽和特性及法拉第電磁感應(yīng)原理研制成的測(cè)磁裝置。圖5－3磁通門磁強(qiáng)計(jì)的探頭結(jié)構(gòu)磁通門磁強(qiáng)計(jì)由探頭和測(cè)量電路兩部分組成。探頭實(shí)際上是一個(gè)磁傳感器,由高導(dǎo)磁低矯頑力的軟磁材料制成,其上繞有勵(lì)磁線圈N1和測(cè)量線圈N2,結(jié)構(gòu)示意圖如圖5－3所示。勵(lì)磁線圈N1中流有三角波恒流源勵(lì)磁電流i1(當(dāng)然也可以是方波、正弦波等波形,還可以是恒壓源),電流i1足夠大,使鐵芯充分飽和。假設(shè)鐵芯有如圖5－4(a)所示的折線型磁特性,鐵芯中的直流磁場(chǎng)h0=0,在圖5－4(b)中所示的交流三角波勵(lì)磁磁場(chǎng)H作用下,鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B(或磁通)是對(duì)稱的梯形波,如圖5－4(c)所示。對(duì)稱的梯形波的上升沿和下降沿在測(cè)量線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)e將是對(duì)稱的方波,如圖5－4(d)所示,圖中t1=t2。對(duì)該方波進(jìn)行諧波分析發(fā)現(xiàn),其中只有奇次諧波而沒有偶次諧波。圖5－4磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭工作原理圖若把探頭放在待測(cè)的直流磁場(chǎng)H0中,鐵芯中除了交流磁場(chǎng)H外,還有直流磁場(chǎng)H0,鐵芯中的合成勵(lì)磁磁場(chǎng)H′如圖5－4(b)中所示。在交流磁場(chǎng)與直流磁場(chǎng)方向相同的半周中,鐵芯提前進(jìn)入飽和區(qū),滯后退出飽和區(qū)。相反的半周中,鐵芯滯后進(jìn)入飽和區(qū),提前退出飽和區(qū)。因此,在鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B′是不對(duì)稱的梯形波,如圖5－4(e)所示。在測(cè)量線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)e′也是不對(duì)稱的方波,如圖5－4(f)所示。圖中,t2>t1。如果直流磁場(chǎng)是-H0,則T1>T2。對(duì)此方波進(jìn)行諧波分析發(fā)現(xiàn),其中不但有奇次諧波,還含有偶次諧波,偶次諧波的大小和相位分別反映了直流磁場(chǎng)的幅值和方向,測(cè)量出測(cè)量線圈中偶次諧波電壓的幅值和相位即可測(cè)得直流磁場(chǎng)的大小和方向。圖5－5磁芯的種類5.2.3磁阻效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)

1.磁阻效應(yīng)

所謂磁阻效應(yīng),是指某些材料在加上外磁場(chǎng)時(shí),其電阻值隨磁場(chǎng)強(qiáng)弱而變化的現(xiàn)象。

當(dāng)溫度恒定時(shí),在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi),磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最簡(jiǎn)單的情況,理論推導(dǎo)磁阻效應(yīng)的表達(dá)式為(5-7)式中,B——磁感應(yīng)強(qiáng)度;

μ——電子遷移率;

ρ0——零磁場(chǎng)下的電阻率;

ρB——磁感應(yīng)強(qiáng)度為B時(shí)的電阻率。

當(dāng)電阻率變化為Δρ=ρB-ρ0時(shí),電阻率的相對(duì)變化為(5－8)式中,K=0.273。由式(5－8)可知,磁場(chǎng)一定時(shí),遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。InSb和InAs等半導(dǎo)體的載流子遷移率都很高,適合于制作磁敏電阻。

2.分類及特點(diǎn)

磁敏電阻主要分成兩大類:一類是半導(dǎo)體磁敏電阻;一類是金屬薄膜型磁敏電阻。

半導(dǎo)體磁敏電阻適用于可以放置較強(qiáng)永磁體的各種傳感器,具有原始信號(hào)強(qiáng)、靈敏度高、后序處理電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

在20世紀(jì)80年代后期，日本采用將InSb單晶蒸鍍?cè)谝r底基片上,通過(guò)熱處理再結(jié)晶化,形成磁敏電阻元件的方法,大大提高了磁敏電阻器件性能的成品率和一致性,同時(shí)降低了成本,提高了實(shí)用性。金屬薄膜型磁敏電阻是將坡莫合金沉淀在襯底上形成薄膜,經(jīng)光刻制成各種型號(hào)的MR芯片。由于坡莫合金材料的各向異性,在外加磁場(chǎng)下,與通電電流平行和垂直的兩個(gè)方向所體現(xiàn)的電阻率不同,導(dǎo)致MR元件總電阻變化。金屬薄膜磁敏電阻對(duì)弱磁場(chǎng)非常敏感,但磁阻變化率較底。

磁敏電阻元件與霍爾元件相比,除了不能判斷極性外,霍爾元件可以完成的功能,磁敏電阻元件均可以實(shí)現(xiàn)。利用磁敏電阻元件開發(fā)的的位移、角度、傾斜角、圖像識(shí)別傳感器是霍爾元件難以實(shí)現(xiàn)的。5.2.4PN結(jié)效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)

1.磁敏二極管

目前實(shí)用的磁敏二極管有鍺和硅磁敏二極管兩種,它們與普通的二極管在結(jié)構(gòu)上的不同之處是:普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短,以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合,磁敏二極管的PN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū),大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度,但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二極管用ρ=40Ωcm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的ρ=50Ωcm),在它的兩端有P型和N型鍺并行引出。若γ代表長(zhǎng)基區(qū),則其PN結(jié)實(shí)際上是由Pγ結(jié)和γN結(jié)共同組成的。圖5－6所示為磁敏二極管的構(gòu)造,在基區(qū)γ的上表面,通過(guò)噴砂法破壞晶格表面使之形成復(fù)合速率很高的薄層,用Sγ表示這薄層里的復(fù)合速率,和它相對(duì)的下表面則是光潔面,復(fù)合速率為S0,且Sγ>>S0。在上述PN結(jié)上施加正向電壓,便會(huì)形成正向電流,即在Pγ結(jié)向基區(qū)注入空穴,在γN結(jié)向基區(qū)注入電子。圖5－6中小圈代表空穴,黑點(diǎn)代表電子。圖5－6磁敏二極管的結(jié)構(gòu)在垂直于紙面方向上有磁感應(yīng)強(qiáng)度B時(shí),電子和空穴受洛侖茲力作用,其運(yùn)動(dòng)路徑都偏向高復(fù)合區(qū),如圖中箭頭所示。這樣一來(lái),載流子復(fù)合速率加大了,空穴和電子一旦復(fù)合就失去導(dǎo)電作用,意味著基區(qū)的等效電阻加大,電流減小。反之,如果磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與原方向相反,會(huì)使載流子偏向低復(fù)合區(qū),基區(qū)等效電阻減小,電流加大。

2.磁敏三極管

磁敏三極管有PNP型和NPN型結(jié)構(gòu),按半導(dǎo)體材料的不同,又有鍺和硅磁敏三極管之分。磁敏三極管是以長(zhǎng)基區(qū)為主要特征,以鍺管為例,其結(jié)構(gòu)示意和工作原理如圖5－7所示。圖5－7鍺磁敏三極管結(jié)構(gòu)和管理鍺磁敏三極管有兩個(gè)PN結(jié),其中發(fā)射極E和基極B之間的PN結(jié)是由長(zhǎng)基區(qū)二極管構(gòu)成,同時(shí)又設(shè)置了高復(fù)合區(qū),即圖5－7中粗黑線部分。圖5－7(a)表示在磁場(chǎng)B作用下,載流子受洛侖茲力而偏向高復(fù)合區(qū),使集電極C的電流減小。圖5－7(b)是反向磁場(chǎng)作用下載流子背離高復(fù)合區(qū),集電極電流增大?？梢?即使基極電流IB恒定,靠外加磁場(chǎng)同樣可以改變集電極電流IC,這是和普通三極管不一樣之處。因?yàn)榛鶇^(qū)長(zhǎng)度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度,所以共發(fā)射極直流電流增益β＜1,但是其集電極電流有很高的磁靈敏度,主要依靠磁場(chǎng)來(lái)改變IC。綜上所述,磁敏三極管的工作原理與磁敏二極管的完全相同。無(wú)外界磁場(chǎng)作用時(shí),由于高復(fù)合區(qū)較長(zhǎng),在橫向電場(chǎng)作用下,發(fā)射極電流大部分形成基極電流,小部分形成集電極電流。在正向或反向磁場(chǎng)作用下,會(huì)引起集電極電流的減小或增加,即三極管的β值是隨磁場(chǎng)變化而變化的。因些,可以用磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減小,用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流增加或減小的變化量。5.2.5磁敏檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域

1.霍爾元件

霍爾元件用于磁場(chǎng)測(cè)量時(shí),用做高斯計(jì)(特斯拉計(jì))的檢測(cè)探頭。

霍爾元件用于電流檢測(cè)時(shí),用做電流傳感器/變送器的一次元件。電流傳感器:國(guó)內(nèi)有包括沈陽(yáng)儀表科學(xué)研究院(思賓尼斯公司)、西南自動(dòng)化所等二、三十家大小不同的企業(yè)在生產(chǎn)和銷售電流傳感器/變送器,其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)白熱化。該領(lǐng)域是國(guó)內(nèi)磁敏傳感器應(yīng)用最早、最普及、最成熟的領(lǐng)域?；魻栐米髦绷鳠o(wú)刷電機(jī)時(shí),用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并提供激勵(lì)信號(hào)。直流無(wú)刷電機(jī)領(lǐng)域:InSb霍爾元件為主,主要用于直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè),并提供定子線圈電流換向的激勵(lì)信號(hào)。目前年需求量在幾億只,價(jià)格卻僅有0.3元人民幣左右。該領(lǐng)域是磁敏傳感器用量最大的領(lǐng)域,但是在國(guó)內(nèi)目前未形成工業(yè)化生產(chǎn)。

霍爾元件還用于集成開關(guān)型霍爾器件的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量。

2.強(qiáng)磁體薄膜磁阻器件

強(qiáng)磁體薄膜磁阻器件用于位移傳感器時(shí),主要作磁尺的線性長(zhǎng)距離位移測(cè)量。

強(qiáng)磁體薄膜磁阻器件用于角位移傳感器時(shí),主要作轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)量,廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。

強(qiáng)磁體薄膜磁阻器件用于脈沖發(fā)訊傳感器時(shí),主要作流量檢測(cè)和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量,如電子水表和流量計(jì)的發(fā)訊傳感器。在流量計(jì)量領(lǐng)域,低功耗薄膜磁體磁阻器件用于電子水表、電子煤氣表、流量計(jì)等流量發(fā)訊傳感器中。日前,該產(chǎn)品由沈陽(yáng)儀表科學(xué)院匯博思賓尼斯傳感技術(shù)有限公司生產(chǎn),市場(chǎng)空間可觀。該領(lǐng)域是磁敏傳感器國(guó)內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d應(yīng)用領(lǐng)域,目前處于市場(chǎng)成長(zhǎng)期。此器件制成的專用測(cè)量?jī)x表有高斯計(jì),它用于磁場(chǎng)檢測(cè),在磁性材料生產(chǎn)及應(yīng)用方面用量較多,國(guó)內(nèi)有沈陽(yáng)儀表院、思賓尼斯公司、北京師范學(xué)院等幾家公司生產(chǎn),其中思賓尼斯公司的高斯計(jì)已經(jīng)批量出口美國(guó)。

3.半導(dǎo)體磁阻器件

半導(dǎo)體磁阻器件在微弱磁場(chǎng)檢測(cè)方面,主要用于偽鈔識(shí)別;在脈沖測(cè)量方面,主要用于轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量。

4.超半導(dǎo)磁敏器件(SQUID)

在深部地球物理方面,用帶有SQUID磁敏傳感器的大地電磁測(cè)深儀進(jìn)行大地電磁測(cè)深,效果甚好。

在地磁考古、測(cè)井、重力勘探及預(yù)報(bào)天然地震中,SQUID也具有重要作用。

在生物醫(yī)學(xué)方面,應(yīng)用SQUID磁測(cè)儀器可測(cè)量心磁圖、腦磁圖等,從而出現(xiàn)了神經(jīng)磁學(xué)、腦磁學(xué)等新興學(xué)科,為醫(yī)學(xué)研究開辟了新的領(lǐng)域。

在固體物理、生物物理、宇宙空間的研究中,SQUID可用來(lái)測(cè)量極微弱的磁場(chǎng),如美國(guó)國(guó)家航空宇航局用SQUID磁測(cè)儀器測(cè)量了阿波羅飛行器帶回的月球樣品的磁矩。

SQUID技術(shù)還可用作電流計(jì)、電壓標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器、通信電纜等;在超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)磁流體發(fā)電、超導(dǎo)磁懸浮列車等方面,也均得到廣泛應(yīng)用。

另外,國(guó)內(nèi)的磁敏傳感器在轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)數(shù)測(cè)量、偽鈔識(shí)別等領(lǐng)域,也均有應(yīng)用,但沒有形成規(guī)模。 5.3霍爾傳感器

5.3.1霍爾傳感器的工作原理

1.霍爾效應(yīng)

圖5－8所示為霍爾效應(yīng)的原理圖。在一半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流I,并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng),設(shè)薄片的長(zhǎng)度為l,寬度為w,厚度為d;又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng),則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下,電子受到的洛侖茲力為(5－9)式中:q——電子電量(1.62×10-19C);

v——電子運(yùn)動(dòng)速度。圖5－8霍爾效應(yīng)原理圖同時(shí),由于電子向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),使半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(稱為霍爾電勢(shì)或霍爾電壓),霍爾電勢(shì)產(chǎn)生后,又對(duì)電子施加電場(chǎng)力,電場(chǎng)力與洛侖茲力的方向相反,大小為(5－10)式中:q——電子電荷;

UH——霍爾電壓。當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),有(5－11)(5－12)若以n代表半導(dǎo)體內(nèi)單位體積中的載流子數(shù),則可得(5－13)(5－14)式中,負(fù)號(hào)表示電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反。將式(5－14)代入式(5－12),可得式中:RH——霍爾系數(shù),RH=1/(nq),其大小取決于半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)(即材料的載流子密度),它反映元件霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱;

KH——霍爾靈敏度,KH=RH/H,其大小與霍爾系數(shù)成正比,與半導(dǎo)體厚度成反比。通過(guò)式(5－15)、式(5－16)可以得出以下結(jié)論:

(1)霍爾電壓的UH的大小與材料性質(zhì)有關(guān)。單位體積內(nèi)導(dǎo)電粒子數(shù)越少,霍爾效應(yīng)越強(qiáng)。

(2)霍爾電壓UH與半導(dǎo)體的厚度d成反比。元件越厚,霍爾電壓越小。

(3)霍爾電壓UH與控制電流I成正比。控制電流越大,霍爾電壓越大。

(4)霍爾電壓UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,霍爾電壓越大。

從結(jié)論(3)、(4)可見,霍爾元件可用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng),當(dāng)霍爾元件的材料、厚度確定,并且施加一恒定的控制電流時(shí),霍爾電壓與磁場(chǎng)成正比;同樣地,也可以用霍爾元件測(cè)量電流,當(dāng)半導(dǎo)體的材料、厚度確定,并且施加一恒定的磁場(chǎng)時(shí),霍爾電壓與控制電流成正比。當(dāng)KH和B恒定時(shí),I越大,UH越大,但電流不宜過(guò)大,否則會(huì)燒壞霍爾元件。同樣,當(dāng)KH和I恒定時(shí),B越大,UH也越大。當(dāng)磁場(chǎng)改變方向,UH也改變方向,當(dāng)磁場(chǎng)方向不垂直于元件平面,而是與元件平面的法線成一角度θ時(shí),實(shí)際作用于元件上的有效磁場(chǎng)是其法線方向的分量,即Bcosθ,這時(shí)霍爾元件的輸出為

UH=KHIBcosθ

(5－17)2.霍爾元件的基本測(cè)量電路

圖5－9為霍爾元件的基本測(cè)量電路。圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍爾輸出端接負(fù)載R3,R3可以是一般電阻或放大器的輸入電阻,或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過(guò)霍爾器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下,負(fù)載上獲得電壓。實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B,或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。圖5－9霍爾器件的基本測(cè)量電路設(shè)霍爾片厚度d均勻,電流I和霍爾電場(chǎng)的方向分別平行于長(zhǎng)、短邊界,則控制電流I和霍爾電勢(shì)UH的關(guān)系式為(5－18)

同樣,若給出控制電壓U,由于U=R1I,可得控制電壓和霍爾電勢(shì)的關(guān)系式為(5－19)上兩式是霍爾器件中的基本公式。即:輸入電流或輸入電壓和霍爾輸出電勢(shì)完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢(shì)之間也完全呈線性關(guān)系。5.3.2霍爾元件及材料

1.霍爾元件的結(jié)構(gòu)

霍爾元件是一種半導(dǎo)體四端薄片,一般呈正方形,在薄片的相對(duì)兩側(cè)對(duì)稱地焊接兩對(duì)電極引出線。圖5－10(a)所示為霍爾元件的實(shí)際尺寸,圖5－10(b)為其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),圖5－10(c)為霍爾元件的等效電路。其中,A、B端為激勵(lì)電流端,C、D端為霍爾電勢(shì)輸出端,C、D端一般處于側(cè)面的中點(diǎn)。圖5－10霍爾器件片

(a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm);(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu);(c)等效電路圖5－11為霍爾元件的常用圖形符號(hào)。近年來(lái),已采用外延離心注入工藝或采用濺射工藝制造出尺寸小、性能好的薄膜型霍爾元件,如圖5－12所示。它由襯底、薄膜、引線(電極)及外殼組成,殼體采用塑料、環(huán)氧樹脂、陶瓷等材料封裝,其靈敏度、穩(wěn)定性、對(duì)稱性等均比老工藝優(yōu)越得多。圖5－11霍爾器件圖形符號(hào)圖5－12霍爾器件外形圖

2.霍爾元件的材料

霍爾元件的輸出與靈敏度有關(guān),KH越大,UH越大。而霍爾靈敏度又取決于元件的材料、性質(zhì)和尺寸,從理論上可以證明霍爾系數(shù)RH等于霍爾元件材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積(即RH=ρ*μ)。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng),則RH值要盡可能得大,因此要求霍爾元件的材料有較大的電阻率和載流子遷移率。

絕緣材料具有很大的電阻率,但其載流子遷移率卻極小;而金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大,但電阻率很低,因而以上兩種材料的霍爾系數(shù)都很低,不能用作霍爾元件。半導(dǎo)體既有很高的載流子遷移率,又具有電阻率較大的特點(diǎn),因而一般用半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。5.3.3霍爾集成電路

1.線性型霍爾集成電路

線性型霍爾集成電路的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成,當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍爾元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系的霍爾電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,為了提高傳感器的性能,往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；魻栭_關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài),而霍爾線性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線性感應(yīng)。因此線性型霍爾集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制。圖5－13是典型的線性型霍爾集成電路。圖5－13(a)是集成電路芯片的外形與尺寸。圖5－13(b)是集成電路內(nèi)部元件,它主要由霍爾元件、恒流源、放大電路組成,由恒流源提供穩(wěn)定的激勵(lì)電流,霍爾電勢(shì)輸出接入放大電路,輸出電壓較高,使用方便,應(yīng)用廣泛。圖5－13(c)是這種集成電路的輸出特性,集成電路的輸出電壓與霍爾元件感受的磁場(chǎng)變化近似呈線性關(guān)系,它主要用于對(duì)被測(cè)量進(jìn)行線性測(cè)量的場(chǎng)合,如角位移、壓力、電流等的測(cè)量。圖5－13線性型霍爾集成電路(a)外形與尺寸;

(b)集成電路內(nèi)部元件;(c)輸出特性

1)單端輸出型

圖5－14所示為單端輸出型霍爾集成電路,它是一個(gè)塑料封裝的扁平三端器件,它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)。通常將它的輸出電壓用電容交連到外接放大器,以將輸出電壓放大到較高的電平。單端輸出型有U型、T型兩種型號(hào),T型和U型的區(qū)別是厚度不同,T型厚度為2.03mm,U型厚度為1.54mm。其典型產(chǎn)品是SL3501T、UGN－3501T。圖5－14單端輸出型的霍爾集成電路的電路結(jié)構(gòu)框圖

SL3501T的霍爾輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系如圖5－15所示。從圖中可以看出,在-0.22～0.2T磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi),集成電路SL3501T具有較好的線性,而當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí),線性較差。圖5－15

SL3501T傳感器的輸出特性

2)雙端輸出型

雙端輸出型霍爾集成電路是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件,它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出,還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M,如圖5－16所示。圖5－16雙端輸出型霍爾集成電路的電路結(jié)構(gòu)框圖

SL3501M采用8腳封裝,其1、8兩腳為差動(dòng)輸出,2腳懸空,3腳為正電源,4腳接地,5、6、7三腳之間外接電位器,主要用于對(duì)不等位電勢(shì)進(jìn)行補(bǔ)償,還可以改善線性,但靈敏度有所降低。若允許有不等位電勢(shì)輸出,則該電位器可以不接。

圖5－17為SL3501M的霍爾輸出與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。由圖可知:

(1)當(dāng)5、6、7三腳之間外接電位器的電阻恒定時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度越大,霍爾輸出越大。

(2)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí),5、6、7三腳之間外接電位器的阻值越大,霍爾輸出越低,但是其線性度越好。

另外,SL3501的1、8兩腳的輸出極性與磁場(chǎng)方向有關(guān),當(dāng)磁場(chǎng)方向相反時(shí),其輸出極性與之相反。圖5－17

SL3501M傳感器的輸出特性曲線

2.開關(guān)型霍爾集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器,它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量,并以開關(guān)信號(hào)形式輸出?；魻栭_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)磨損、無(wú)火花干擾、無(wú)轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。常用的型號(hào)有UGN－3000。

1)開關(guān)型霍爾集成電路的原理

圖5－18是典型的開關(guān)型霍爾集成電路。集成電路的內(nèi)部元件主要有霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大電路、施密特觸發(fā)器、開關(guān)輸出等五部分組成。當(dāng)有磁場(chǎng)作用在開關(guān)型霍爾傳感器上時(shí)，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經(jīng)放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的霍爾電壓大于“開啟”閾值時(shí)，施密特電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電壓，使三極管導(dǎo)通；當(dāng)放大后的霍爾電壓低于“關(guān)閉”閾值時(shí)，施密特電路輸出低電平，使三極管VT截止。圖5－18開關(guān)型霍爾集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2)開關(guān)型霍爾集成電路的外形及特性

開關(guān)型集成電路的外形及應(yīng)用如圖5－19所示。圖5－19開關(guān)型霍爾集成電路的外形及應(yīng)用電路(a)外形;(b)應(yīng)用電路圖5－20工作特性曲線從工作特性曲線上可以看出,工作特性有一定的磁滯BH,這對(duì)開關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度,BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí),輸出電平由高變低,傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí),輸出電平由低變高,傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

霍爾開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)包括工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)等。5.3.4霍爾傳感器應(yīng)用實(shí)例

利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾器件,不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面,而且在測(cè)量技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。

利用霍爾電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性,可借助于固定元件的控制電流,對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量進(jìn)行測(cè)量和控制。根據(jù)前面講過(guò)霍爾電壓與材料的厚度d、激勵(lì)電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系(UH=KHIBcosθ),通常可以從以下三方面應(yīng)用霍爾傳感器。

(1)維持元件的輸入激勵(lì)電流I不變,而使元件所感受的磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化或使元件與磁場(chǎng)的相對(duì)位置、相對(duì)角度改變,從而引起霍爾電勢(shì)的改變。這方面的應(yīng)用有測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、角位移測(cè)量?jī)x、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角度編碼器、霍爾加速計(jì)及微壓力計(jì)等。

(2)當(dāng)I與B兩者都作為變量時(shí),傳感器的輸出與IB的乘積成正比,這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、功率計(jì)等。

(3)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度不變,利用霍爾電壓與I成比的關(guān)系,可以做過(guò)流控制裝置。

1.霍爾電流計(jì)

如圖5－21所示,將霍爾元件垂直置于磁環(huán)開口氣隙中,讓載流導(dǎo)體穿過(guò)磁環(huán),由于磁環(huán)氣隙的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與待測(cè)電流I成正比,當(dāng)霍爾元件控制電流IH一定時(shí),霍爾輸出電壓UH則正比于待測(cè)電流I,這種非接觸檢測(cè)安全簡(jiǎn)便,適用于高壓線電流檢測(cè)。圖5－21霍爾電流計(jì)

2.霍爾高斯計(jì)

高斯計(jì)是利用霍爾元件測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B的一種儀表，測(cè)量時(shí)保持霍爾元件與磁場(chǎng)垂直，控制電流保持常值，則霍爾電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。將霍爾電壓放大后,并通過(guò)校準(zhǔn)便可直讀被測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度的高斯值。圖5－22所示為高斯計(jì)測(cè)量原理圖,用此方法可以測(cè)量恒定或交變磁場(chǎng)的高斯數(shù)。早期的高斯計(jì)多用電壓表指示,現(xiàn)在有不少采用數(shù)字表頭顯示的數(shù)字高斯計(jì)。圖5－22高斯計(jì)測(cè)量原理圖

3.多用途霍爾固態(tài)傳感器

1)轉(zhuǎn)速測(cè)量

將傳感器安裝在齒輪旁,離齒頂0.1～5mm左右,齒輪每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒,霍爾電壓和放大器輸出電壓都變化一周,放大器輸出電壓的頻率便與齒輪轉(zhuǎn)速成比例,即(5－20)式中:

N——齒輪的轉(zhuǎn)速(r／min);

Z——齒輪的齒數(shù)。這種傳感器的低速性能很好。圖5－23是傳感器裝在齒頂上方時(shí),緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪,用高斯計(jì)測(cè)量的永久磁鐵端面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B與齒輪轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系。由圖可以看出,齒輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒時(shí),B近似地作正弦變化一周,從而霍爾電壓也變化一周。該曲線是逐點(diǎn)測(cè)量而得,這時(shí)齒輪轉(zhuǎn)速是非常緩慢的,所以這種傳感器可以測(cè)量超低轉(zhuǎn)速。同時(shí)它也能測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速。

現(xiàn)有渦輪流量計(jì)中測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)速的傳感器是電磁感應(yīng)式的。在小流量時(shí)電磁感應(yīng)電壓很小,所以現(xiàn)有渦輪流量計(jì)在小流量時(shí)無(wú)信號(hào)輸出。若將電磁感應(yīng)式的轉(zhuǎn)速傳感器換為霍爾固態(tài)傳感器,則可測(cè)出較小的流量。圖5－23磁感應(yīng)強(qiáng)度與齒輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系

2)位移與振動(dòng)測(cè)量

圖5－24(a)是用霍爾傳感器測(cè)量它與導(dǎo)磁體之間的距離x的原理圖。圖5－24(b)是放大器輸出電壓與位移x的關(guān)系。由圖(b)可以看出,其特性曲線是非線性的,只有在x<2mm時(shí),U與x近似呈線性關(guān)系。圖5－24位移測(cè)量原理圖及特性曲線

(a)原理圖;(b)特性曲線利用類似的原理,該傳感器便可用來(lái)測(cè)量振動(dòng)體的振幅和頻率,如圖5－25所示,傳感器輸出信號(hào)的頻率便是振動(dòng)臺(tái)的頻率,傳感器輸出電壓的幅值經(jīng)校準(zhǔn)后表示振動(dòng)的振幅。圖5－25測(cè)量振動(dòng)與頻率的原理圖

3)霍爾開關(guān)的用途

利用圖5－24所示的測(cè)量位移的原理及其特性,可用來(lái)做非接觸式的接近開關(guān),例如當(dāng)x<1mm時(shí),傳感器的放大器輸出較大電壓時(shí)便可接通一個(gè)開關(guān),這便是非接觸式的接近開關(guān)。例如在車床的卡盤與刀架之間便可安裝這樣的接近開關(guān)。讓傳感器的位置固定,它反映卡盤的位置;在刀架運(yùn)動(dòng)體上裝一塊導(dǎo)磁體,隨刀架移動(dòng)。當(dāng)兩者之間的距離小于規(guī)定位時(shí),接近開關(guān)便工作,切斷拖動(dòng)電機(jī)。這樣的安全措施是簡(jiǎn)單易行的。這樣的接近開關(guān)也可以做成油(或水等)箱(如飛機(jī)油箱等)的高低油(或水等)面信號(hào)器。圖5－26便是低油面和高油面信號(hào)器的示意圖。油畫高低變化時(shí),浮子和導(dǎo)磁片沿浮子導(dǎo)桿隨液面上下浮動(dòng)。當(dāng)油面低于規(guī)定的高度Hl時(shí),導(dǎo)磁片與傳感器的距離只剩隔板的厚度(例如0.5mm),傳感器放大器便會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)(例如由晶體管繼電器給出)。同理,裝油時(shí),浮子隨油面上升,到規(guī)定的高度Hh時(shí),導(dǎo)磁片與傳感器的距離也只剩下隔板的厚度,傳感器放大器也會(huì)發(fā)出一個(gè)高油面的信號(hào)。圖5－26油箱高低報(bào)警測(cè)量原理圖

(a)低油面；(b)高油面霍爾開關(guān)不但動(dòng)態(tài)特性好,而且環(huán)境適應(yīng)性好,既無(wú)機(jī)械磨損,又無(wú)觸點(diǎn)燒蝕缺陷,因而在自動(dòng)控制及報(bào)警器電路中得到廣泛應(yīng)用。

圖5－27是一個(gè)開門報(bào)警器電路,使用時(shí)將TL3019霍爾傳感器裝在門框上,磁鐵裝在門板上。門關(guān)閉時(shí),TL3019輸出保持低電平;門打開時(shí),TL3019輸出電平由低變高,此正脈沖經(jīng)0.1μF電容延時(shí)后加到TLC555單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器的控制端5和復(fù)位端4上,啟動(dòng)定時(shí)器循環(huán)控制,使發(fā)光管TIL220發(fā)光,壓電報(bào)警器發(fā)聲,形成聲、光報(bào)警。圖中,定時(shí)器引腳6和7接1.0μF電容和5.1MΩ電阻,決定TLC555的RC時(shí)間常數(shù),即決定聲、光報(bào)警器發(fā)出聲、光時(shí)間的長(zhǎng)短(約5s)。圖5－27霍爾傳感器在開關(guān)門中的應(yīng)用

4.霍爾式汽車無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置

傳統(tǒng)的汽車汽缸點(diǎn)火裝置使用機(jī)械式的分電器,存在著點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確,觸點(diǎn)易磨損等缺點(diǎn)。利用霍爾開關(guān)無(wú)觸點(diǎn)晶體管點(diǎn)火裝置,可以克服上述缺點(diǎn),提高燃燒效率。汽車四汽缸點(diǎn)火裝置示意圖如圖5－28所示。圖中的磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)磁輪鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),霍爾器件感受磁場(chǎng)極性交替改變,輸出一連串與汽缸活塞運(yùn)動(dòng)同步的脈沖信號(hào)去觸發(fā)晶體管功率開關(guān),點(diǎn)火線圈二次側(cè)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓,火花塞產(chǎn)生火花放電,完成汽缸點(diǎn)