第8章 磁电传感器.ppt

第八章磁电传感器 本章主要学习霍尔传感器 磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管 霍尔元件是一种四端元件 8 1霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中 磁场方向垂直于薄片 当有电流I流过薄片时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH 这种现象称为霍尔效应 磁感应强度B为零时的情况 c d a b 磁感应强度B较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强 霍尔电势也就越高 霍尔电势EH可用下式表示 EH KHIB 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时 电子受到洛仑兹力的作用 向内侧偏移 在半导体薄片c d方向的端面之间建立起霍尔电势 c d a b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 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EH KHIBcos 结论 霍尔电势与输入电流I 磁感应强度B成正比 且当B的方向改变时 霍尔电势的方向也随之改变 如果所施加的磁场为交变磁场 则霍尔电势为同频率的交变电势 霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯 线性区 最大激励电流IM 由于霍尔电势随激励电流增大而增大 故在应用中总希望选用较大的激励电流 但激励电流增大 霍尔元件的功耗增大 元件的温度升高 从而引起霍尔电势的温漂增大 因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流 它的数值从几毫安至十几毫安 以下哪一个激励电流的数值较为妥当 5 A0 1mA2mA80mA 霍尔元件连接方式和输出电路1 基本测量电路在测量中 可以把电流I 磁场强度B或者IB作为输入信号 来测量输出电势 2 连接方式a 直流供电 控制电流并联 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块的两倍 b 交流供电 控制电流串联 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 3 霍尔电势的输出电路作线性测量时 最好选灵敏度低一点 不等位电势小 稳定性和线性度优良的霍尔元件 作开关使用时 要选择灵敏度高的霍尔元件 见书中两例 四 霍尔元件的测量误差和补偿方法造成测量误差的主要因素有两类 半导体的固有特性 半导体制造工艺的缺陷 其表现为零位误差和温度引起的误差 1 零位误差及补偿方法在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势称为零位误差 制造工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差 如图a 当控制电流I流过时 即使未加外磁场 A B两电极此时仍存在电位差 此电位差称为不等位电势U0 可以把霍尔元件等效为一个四臂电桥 如图b 几种常用的补偿方法 2 温度误差及其补偿因为半导体材料的电阻率 迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化 因此 会导致霍尔元件的内阻 霍尔电势等也随温度而变化 这种变化的程度随不同半导体材料有所不同 温度高到一定程度时 产生的变化相当大 常采用的补偿电路有 1 利用输出回路并联电阻进行补偿 补偿电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为 利用输入回路的串联电阻进行补偿 霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于I B 三个变量的函数 即EH KHIBcos 利用这个关系可以使其中两个量不变 将第三个量作为变量 或者固定其中一个量 其余两个量都作为变量 这使得霍尔传感器有许多用途 霍尔转速表 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 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 S N 线性霍尔 磁铁 霍尔转速表原理 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 反之 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 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 霍尔式接近开关 用霍尔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 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 否则将撞坏霍尔IC 起到限位的作用 霍尔式接近开关用于转速测量演示 n 60 f 4 r min 软铁分流翼片 开关型霍尔IC T 8 2 1磁阻效应当载流导体置于磁场中 其电阻会随磁场而变化的现象 当温度恒定时 在磁场中 磁阻与磁感应强度B的平方成正比 如果器件只有在电子参与导电的情况下 理论推导出来的磁阻效应方程为 8 2磁敏电阻器 电阻率的相对变化 可以看出 在磁感应强度 一定时 迁移率越高的材料 如InSb InAs NiSb等半导体材料 磁阻效应越明显 从微观上讲 材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致 7 3 2磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外 还与磁敏电阻的形状有关 在恒定磁感应强度下 磁敏电阻的长度与宽度的比越小 电阻率的相对变化越大 8 2 3磁阻元件的主要特性 1 灵敏度特性磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的 且受温度的影响较大 磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示 即磁场 电阻变化率特性曲线的斜率 在运算时常用RB R0求得 R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值 RB为施加0 3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值 8 2 4磁敏传感器的应用 磁敏电阻 半导体材料的电阻率随磁场强度的增强而变大 这种现象称为磁阻效应 利用磁阻效应制成的元件称为磁敏电阻 磁敏电阻可用于测量地球磁场的方向及强度的变化 指南针只能指示地球磁场的方向 磁阻式电子罗盘 磁敏电阻IC及其应用 线性磁阻位置传感器 磁敏电阻的应用 根据铁磁物体对地磁的扰动 可检测车辆的存在 可用于包括自动开门 路况监测 停车场检测 车辆位置监测 红绿灯控制等 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 磁力探矿仪的使用 磁敏电阻小型探矿仪 上海直川信息技术有限公司研制的磁阻探矿仪及数据统计曲线图 磁阻IC用于转速测量 磁力线集中 磁力线分散 磁阻IC用于笔式验钞器 验钞笔顺着纸币上的磁性防伪线扫描 磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成 在P N之间有一个较长的本征区I 本征区I的一面磨成光滑的无复合表面 为I区 另一面打毛 设置成高复合区 为r区 因为电子 空穴对易于在粗糙表面复合而消失 7 4 1磁敏二极管的工作原理和主要特性 7 4磁敏二极管和磁敏三极管 1 磁敏二极管的结构 图磁敏二极管结构示意图 a 结构 b 符号 当磁敏二极管末受到外界磁场作用时 外加正向偏压后 则有大量的空穴从P区通过I区进入N区 同时也有大量电子注入P区 形成电流 只有少量电子和空穴在I区复合掉 2 磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管受到外界正向磁场作用时 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而减小 当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时 电子和空