第9章 磁敏式传感器打印稿.ppt

1 磁电式传感器是通过磁电作用将被测非电量转换成电信号的一种传感器 主要有磁电感应式传感器 磁栅式传感器和磁敏传感器 本章主要介绍磁敏传感器 磁敏传感器是利用半导体中的自由电子或空穴随磁场改变运动方向这一特性而制成的一种传感器 分为体型和结型两大类 体型 霍尔传感器 InSb InAs Ge Si GaAs 和磁敏电阻 InSb InAs 结型 磁敏二极管 Ge Si 磁敏三极管 Si 第9章磁敏传感器 9 1霍尔传感器9 2磁敏电阻9 3结型磁敏管 2 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器 1879年美国物理学家霍尔 E H Hall 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 随着半导体技术的发展 开始用半导体材料制成霍尔元件 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 优点 灵敏度高 线性度好 稳定性高 体积小 重量轻 寿命长 安装方便 功耗小 频率高 可达1MHz 耐高温 耐震动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污染或腐蚀 已广泛应用于非电量测量 自动控制 计算机装置和现代军事技术等各个领域 9 1霍尔传感器 3 一 霍尔效应和工作原理二 霍尔元件的应用电路三 集成霍尔器件四 霍尔传感器的应用 按功能可将它们分为 霍尔线性器件和霍尔开关器件 前者输出模拟量 后者输出数字量 霍尔线性器件的精度高 线性度好 霍尔开关器件无触点 无磨损 输出波形清晰 无抖动 无回跳 位置重复精度高 可达 m级 采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽 可达 55 150 4 一 霍尔效应和工作原理 1 霍尔效应 一块半导体薄片 其长度为l 宽度为b 厚度为d 当它被置于磁感应强度为B的磁场中 如果在它相对的两边通以控制电流I 且磁场方向与电流方向正交 则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH 这一现象称为霍尔效应 该电势称为霍尔电势 半导体薄片就是霍尔元件 霍尔效应原理图 图形符号 5 c d a b 霍尔效应演示 6 UH KHIB KH 霍尔元件的灵敏度 若保持I恒定 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强 霍尔电势UH也就越高 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件 而是与其法线成某一角度 时 实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向 与薄片垂直的方向 的分量 即Bcos 这时的霍尔电势为 UH KHIBcos 7 2 工作原理 霍尔效应是物质中的运动电荷受磁场中洛仑兹 Lorentz 力作用而产生的一种特性 霍尔元件 设为N型半导体 置于磁场B中 当通以电流I时 运动电荷 载流子电子 受磁场中洛仑兹力fL的作用 向垂直于B和电流I的方向偏移 其方向符合右手螺旋定律 即运动电荷 电子 有向某一端积聚的现象 使霍尔元件一端面产生负电荷积聚 另一端面则为正电荷积聚 由于电荷聚积 产生静电场 该静电场对运动电荷 电子 的作用力fE与洛仑兹力fL方向相反 阻止其偏转 当二力相等时 电荷积累达到动态平衡 此时的静电场即为霍尔电场 在电荷积聚的两面上产生的电势称为霍尔电势 a 磁场为0时电子的流动 b 电子在洛仑兹力作用下发生偏转 c 电荷积累达到平衡时 8 洛仑兹力fL evBe 电子所带电荷量v 电子运动平均速度B 磁感应强度霍尔电场作用力fE eEH eUH bEH 霍尔电场UH 霍尔电势b 霍尔片的宽度动态平衡时fL fE则evB eUH b由于电流密度J nev 则电流强度为I nevbdN型半导体 P型半导体 式中 d 霍尔片厚度n 电子浓度p 空穴浓度 9 3 霍尔系数及灵敏度 1 霍尔系数 N型半导体 P型半导体 RH被定义为霍尔传感器的霍尔系数 霍尔系数由材料性质决定 它决定霍尔电势的强弱 设 则KH既为霍尔元件的灵敏度 2 灵敏度 10 则 于是得到RH UH KHIB 霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度和单位控制电流作用时 所能输出的霍尔电势的大小 由于材料电阻率 与载流子浓度和其迁移率 有关 即 或 霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关 同时还与霍尔元件的几何尺寸有关 一般要求霍尔元件灵敏度越大越好 霍尔元件的厚度d与KH成反比 因此 霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高 一般0 1mm 要想霍尔电势强 材料的电阻率必须要高 且迁移率也要大 虽然金属导体的载流子迁移率很大 但其电阻率低 绝缘体电阻率很高 但其载流子迁移率低 因此 只有半导体材料为最佳的霍尔传感器材料 11 二 霍尔元件的应用电路 1 基本测量电路 控制电流I由电源E供给 电位器W调节控制电流I的大小 霍尔元件输出接负载电阻RL RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻 基本电路 UH KHIB 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下 才会产生霍尔电势UH 所以在测量中 可以把I和B的乘积 或者I 或者B作为输入信号 则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B 12 2 霍尔元件的驱动方式霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动 a 恒流驱动 b 恒压驱动 13 图 a 为直流供电情况 控制电流端并联 由W1 W2调节两个元件的输出霍尔电势 A B为输出端 则它的输出电势为单片的两倍 图 b 为交流供电情况 控制电流端串联 各元件输出端接输出变压器B的初级绕组 变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出 a b 3 霍尔元件的连接方式除了霍尔元件基本电路形式之外 如果为了获得较大的霍尔输出电势 可以采用几片叠加的连接方式 14 4 霍尔电势的输出电路霍尔元件是一种四端器件 本身不带放大器 霍尔电势一般在毫伏量级 在实际使用时必须加差分放大器 霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式 因此 输出电路有两种结构 a 线性应用 b 开关应用 当霍尔元件作线性测量时 最好选用灵敏度低一点 不等位电势小 稳定性和线性度优良的霍尔元件 当霍尔元件作开关使用时 要选择灵敏度高的霍尔器件 15 三 集成霍尔器件 尽管硅的载流子浓度较小 制作霍尔元件时灵敏度较低 但是由于硅集成电路工艺非常成熟 所以仍把硅材料作为集成霍尔传感器的主要材料 将霍尔元件及其放大电路 温度补偿电路和稳压电源等集成在一个芯片上构成独立器件 集成霍尔器件 也称集成霍尔传感器 不仅尺寸紧凑便于使用 而且有利于减小误差 改善稳定性 根据功能的不同 集成霍尔器件分为霍尔线性集成器件和霍尔开关集成器件两类 16 1 霍尔线性集成器件 霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系 有单端输出和双端输出 差动输出 两种电路 其内部结构如图所示 17 2 霍尔开关集成器件 开关型集成霍尔传感器是把霍尔器件的电压经过一定的阈值甄别处理和放大 而输出一个高电平或低电平的数字信号 由霍尔元件 放大器 施密特整形电路和集电极开路输出等部分组成 BOP为工作点 开 的磁场强度 BRP为释放点 关 的磁场强度 锁定型 当磁场强度超过工作点开时 其输出导通 而在磁场撤销后 其输出状态保持不变 必须施加反向磁场并使之超过释放点 才能使其关闭 a 内部结构框图 b 工作特性 c 工作电路 d 锁定型器件工作特性 18 四 霍尔传感器的应用 利用霍尔传感器的磁电转换特性可以十分方便地测量磁场强度 电流等有关的物理量 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为 直接应用和间接应用 前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性 后者是检测受检对象上人为设置的磁场 用这个磁场来作被检测的信息的载体 通过它将许多非电 非磁的物理量 例如力 力矩 压力 应力 位置 位移 速度 加速度 角度 角速度 转数 转速以及工作状态发生变化的时间等 转变成电量来进行检测和控制 1 位移测量2 霍尔电流传感器3 霍尔高斯计4 霍尔计数装置 接近开关 5 霍尔转速传感器6 霍尔开关电子点火器7 霍尔电机8 液位控制 19 对上式积分UH Kx霍尔电势与位移量成线性关系 其输出电势的极性反映了位移方向 磁场梯度越大 灵敏度越高 磁场梯度越均匀 输出线性度越好 当x 0时 则元件置于磁场中心位置 UH 0 这种位移传感器特点是惯性小 响应速度快 无触点测量 利用这一原理可以测量与之有关的非电量 如力 压力 加速度 液位和压差等 1 位移测量 霍尔位移传感器可制成两种结构 在梯度磁场中放置一个霍尔元件 当控制电流I恒定不变时 霍尔电势UH与磁感应强度成正比 若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB dx为一常数 则当霍尔元件沿x方向移动时 霍尔电势变化为 位移传感器的输出灵敏度 20 2 霍尔电流传感器 霍尔传感器测电流 霍尔传感器广泛用于测量电流 从而可以制成电流过载检测器或过载保护装置 在电机控制驱动中 作为电流反馈元件 构成电流反馈回路 21 铁心 I I 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔 当有电流通过导线时 在导线周围将产生磁场 磁力线集中在铁心内 并在铁心的缺口处穿过霍尔元件 从而产生与电流成正比的霍尔电压 线性霍尔IC I B UH 22 下面以UGN3501M霍尔传感器为例 阐明其测量电流的原理 标准软磁材料圆环中心直径为40mm 截面积为4 4mm2 方形 圆环上有一缺口 放入霍尔传感器 圆环上绕有11匝线 并通过检测电流 根据磁路理论 可以算出电流为50A时 可产生0 3T磁场强度 由于UGN3501M的灵敏度为14mV mT 则在0 50A电流范围内 其输出电压变化为0 4 2V 23 压舌 豁口 霍尔钳形电流表 交直流两用 霍尔式电流谐波分析仪 24 在磁场强度为0 1T时 UGN3501M的典型输出电压为1400mV 因此可以制成0 1T的高斯计 如图所示 电源电压为8 16V 在5 6脚接一个20 的调 3 霍尔高斯计 特斯拉计 零电位器 在1 8脚接一可调灵敏度的10k 电位器及内阻常数最小为10k V的电压表 若在5 6两脚上各接一只47 电阻后 再接20 电位器 其线性范围可达0 3T 霍尔元件 磁铁 25 4 霍尔计数装置 接近开关 UGN3501T具有较高的灵敏度 能感受到很小的磁场变化 因而可以检测铁磁物质的有无 利用这一特性可以制成计数装置 从图中还可以看出 霍尔元件也是一种接近开关 26 霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近 并达到动作距离时 霍尔式接近开关动作 霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁 永磁 用开关型霍尔IC也能完成接近开关的功能 但是它只能用于铁磁材料的检测 并且还需要建立一个较强的闭合磁场 27 在右图中 当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时 霍尔IC的输出由高电平变为低电平 经驱动电路使继电器吸合或释放 控制运动部件停止移动 起到限位的作用 开关型霍尔IC 软铁分流翼片 霍尔式接近开关用于转速测量 霍尔式接近开关用于限位作用 28 5 霍尔转速传感器 1 转轴2 转盘3 磁铁4 霍尔元件几种霍尔转速传感器的结构 在被测转速的转轴上安装一个齿盘 也可选取机械系统中的一个齿轮 29 S N 线性霍尔 磁铁 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化 霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直 放大 整形后可以确定被测物的转速 30 图 a 当齿对准霍尔元件时 磁力线集中穿过霍尔元件 可产生较大的霍尔电动势 放大 整形后输出高电平 图 b 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 a b 31 带有微型磁铁的霍尔传感器 钢质齿圈 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置 ABS 中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死 将产生危险 用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小 带有微型磁铁的霍尔传感器 32 6 霍尔开关电子点火器 高压输出接头 12V低压电源输入接头 采用霍尔式无触点电子点火装置能较好地克服汽车合金触点点火时间不准确 触点易烧坏 高速时动力不足等缺点 能适用于恶劣的工作环境和各种车速 冷起动性能好等特点 目前已得到广泛采用 33 将霍尔元件固定在汽车分电器的白金座上 在分火点上装一个隔磁罩1 罩的竖边根据汽车发动机的缸数 开出等间距的缺口2 当缺口对准霍尔元件时 磁通通过霍尔器件 如图a所示 此时霍尔元件输出高电平 当凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时 磁通不通过霍尔器件 如图b所示 霍尔元件输出低电平 0 4V 1 隔磁罩2 隔磁罩缺口3 分电器转轴4 磁铁5 霍尔元件 34 霍尔电子点火器原理如图所示 当凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时 霍尔元件输出低电平 BG1截止 BG2 BG3导通 点火线圈低压侧有较大电流通过 并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁芯中 当缺口对准霍尔元件时 霍尔元件输出高电平 BG1导通 BG2 BG3截止 切断点火线圈的低压侧电流 由于没有续流元件 所以存储在点火线圈铁芯中的磁场能量在高压侧感应出30 50kV的高电压 以放电形式输出 即放电点火 带霍尔传感器的分电器 开关放大器 点火线圈 35 直流电机具有运行效率高和调速性能好 得到了广泛应用 然而传统的直流电机均采用电刷 以机械方法进行换相 因而存在相对的机械摩擦 由此带来了噪声 火花 无线电干扰以及寿命短等致命弱点 再加上制造成本高及维修困难等缺点 从而大大地限制了它的应用范围 7 霍尔电机 霍尔元件在永磁直流无刷电机中的应用 普通直流电动机使用的电刷和换向器 为克服以上缺点 出现了永磁直流无刷电机 以高性能永磁材料 如钐钴 钕铁硼等材料作转子 采用电子换相代替电刷机械换相 已广泛应用于软 硬驱动器 光盘驱动器 激光打印机 复印机 传真机鼓驱动 VCD DVD装置 新一代变频空调器 电冰箱 洗衣机等 目前兴起的电动自行车以及自动控制系统作为执行器等 36 永磁直流无刷电机是由电机主体和驱动器组成的 直流无刷电机主体在没有驱动器的情况下是无法运转的 必须由驱动器来驱动其转动 并可以通过驱动器控制电机 按照使用者的设定来运转 直流无刷电动机是电子换向的直流电动机 需要用位置传感器来检测转子位置 以实现电子换向 采用霍尔元件作为 电动自行车的无刷电动机及控制电路 其位置传感器实现电子换向的直流无刷电动机 具有简单 经济 可靠等特点 同时体积小 重量轻 给电机的小型化 轻量化带来极大好处 因此 直流无刷电动机成为霍尔元件的主要应用领域之一 应用的霍尔元件有线性 开关型和锁定开关型等三种 采用开关型霍尔元件的直流无刷电动机的电路较简单 且因功率驱动电路工作在开关状态下 功率驱动电路损耗小 效率高 体积小 37 H3对准转子N极 此时 H2处于零磁场 H3导通 从而使功率晶体管VT3导通 通过电流IW3 使定子绕组W3呈S极性 使转子继续顺时针旋转 当转子的N极对准H4时 使之导通 进而使VT4导通 IW4通过定于绕组W4 使之呈S极性 继续使转子顺时针旋转 直至转子N极对准W4 而后H4导通 使VT1导通 电流IW1通过定子绕阻W1 使W1呈S极性 继续使转子顺时针旋转 直至转子N极对准绕组W1 此时 转子已转一周 如此下去 继续旋转 如果改变电源极性 则电机转子反转 如图所示为两相直流无刷电动机采用四个开关型霍尔元件实现双极性 四状态的电子换向电路图 当霍尔元件H2面向转子N极方向 霍尔元件H2导通 为低电平 功率晶体管VT2导通 绕组W2通过电流IW2 使定子绕组W2下极性呈S极 转子顺时针旋转 直到霍尔元件 38 8 液位控制 在浮子上装一块小磁钢 在两液位极限位置上装上霍尔开关集成电路 当液面升 降到极限位置时 霍尔开关集成电路便输出信号用以控制电机的开 关 从而达到控制液位的目的 39 9 2磁敏电阻 磁敏电阻是基于磁阻效应的磁敏元件 磁敏电阻的应用范围比较广 可以利用它制成磁场探测仪 位移和角度检测器 安培计以及磁敏交流放大器等 一 磁阻效应二 半导体磁敏电阻三 磁敏电阻传感器的应用 40 当一载流导体置于磁场中 其电阻会随磁场而变化 这种现象被称为磁阻效应 在外加磁场作用下 运动的载流子因受到洛伦兹力的作用而发生偏转 在两侧面有电荷积累 产生霍尔电场 当洛伦兹力比霍尔电场作用力大时 它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向 这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些 因此增加了电阻值 磁场越强 增大电阻的作用就越强 迁移率越高的材料 磁阻效应越明显 另外磁阻效应还与器件的几何形状有关 根据材料的不同可分为半导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻 一 磁阻效应 41 二 半导体磁敏电阻 利用半导体材料的磁阻效应制成的磁敏电阻可以有如图所示的几种形式 处在垂直于纸面向外的磁场中 电子运动的轨迹都将向左前方偏移 纵长方形器件 中段由于霍尔电场作用 运动轨迹与l方向平行 只有两端才倾斜 电子运动路经增加不显著 电阻增加不多 横长方形器件 因l较短来不及形成较大的霍尔电场 磁阻效应较明显 圆型片器件 科比诺圆盘 电子由中央向边缘运动 片中任何地方都不会产生霍尔电场 电阻增大最明显 但因初始电阻较小 很难实用 栅格式器件 按横长方形器件原理把若干横长片串联成 弓 字形 用许多金属短路电极将霍尔电压短路掉 电阻增加比较多 可提高灵敏度 42 电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为 l w 分别为电阻的长和宽 f l w 形状效应系数 在恒定磁感应强度下 其长度 l 比宽度 w 越小 则 0越大 圆盘形样品的磁阻最大 43 三 磁敏电阻传感器的应用 锑化铟 InSb 磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 利用锑化铟 InSb 磁阻传感器进行弱磁信号的检测 已取得了成功 例如在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 在该元件的磁敏表面上垂直施加磁通量时 则可使其电阻发生变化 将两只磁敏电阻RM1 RM2串联 施加一定的UE和特定磁场B 当外磁场接近两个磁阻元件之一时 在该元件上产生磁通增量 使输出电压发生变化 MRS型系列磁敏电阻传感器 验钞笔 验钞仪顺着纸币上的磁性防伪线扫描 44 利用磁敏电阻制作小型探矿仪 磁力仪 磁敏电阻 聚四氟乙烯封装 45 9 3结型磁敏管 霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件 磁敏二极管和磁敏三极管 结型磁敏管 是PN结型的磁电转换元件 它们具有输出信号大 灵敏度高 工作电流小和体积小等特点 比较适合磁场 转速 探伤等方面的检测和控制 一 磁敏二极管二 磁敏三极管三 结型磁敏管传感器的应用 46 一 磁敏二极管 1 磁敏二极管 SMD 结构 磁敏二极管在P N之间有一个较长 载流子扩散长度的5倍以上 的本征区I 本征区I的一面磨成光滑的复合表面 为I区 另一面用喷砂法打毛 形成高复合区 为r区 其目的是因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失 当通以正向电流后就会在P I N 结之间形成电流 由此可知 磁敏二极管是PIN型的 47 2 磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管未受到外界磁场作用时 外加正偏压 如图 b 所示 则有大量的空穴从P区通过I区进入N区 同时应有大量电子注入P区 形成电流 只有少量电子和空穴在I区和r区复合掉 当磁敏二极管受到外界磁场B 正向磁场 作用时 如图 c 所示 则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转 由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快 因此 形成的电流因复合速度快而减小 当磁敏二极管受到外界磁场B 反向磁场 作用时 如图 d 所示 电子 空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移 由于电子 空穴复合率明显变小 则电流变大 磁敏二极管加正向偏压 在磁场强度的变化下 其正向电流发生变化 实现了磁电转换 正磁场越强 电流越小 表示磁阻增加 负磁场越强 电流越大 表示磁阻减小 48 二 磁敏三极管1 磁敏三极管的结构 硅磁敏三极管和锗磁敏三极管均属双极性长基区晶体管结构 在弱P型或弱N型本征半