《磁敏传感器讲》PPT课件.ppt

第八章磁敏传感器 2 3 4 I l b d 霍耳效应原理图 VH 5 6 7 8 9 磁敏传感器是对磁场参量 B H 敏感的元器件或装置 具有把磁学物理量转换为电信号的功能 一 霍尔磁敏传感器二 磁敏电阻三 磁敏二极管和磁敏三极管 10 8 1霍尔磁敏传感器 一 霍耳效应 导体或半导体薄片置于磁场B中 在相对两侧通以电流I 在垂直于电流和磁场的方向上将产生一个大小与电流I和磁感应强度B的乘积成正比的电动势 这一现象称为霍尔效应 该电势称为霍尔电势 该薄片称为霍尔元件 I l b d 霍耳效应原理图 VH 11 二 霍耳磁敏传感器工作原理 设霍尔元件为N型半导体 其长度为l 宽度为b 厚度为d 又设电子以均匀的速度v运动 则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下 空穴受到洛仑兹力q 电子电量 1 62 10 19C v 载流子运动速度 12 根据右手螺旋定则 电子运动方向向上偏移 则在上端产生电子积聚 下端失去电子产生正电荷积聚 从而形成电场 电场作用于电子的电场力为 电场力与洛仑兹力方向相反 阻止电子继续偏转 当达到动态平衡时 13 霍耳电势VH与I B的乘积成正比 而与d成反比 可改写成 电流密度j nqv n N型半导体中的电子浓度 P型半导体 霍耳系数 由材料物理性质决定 p P型半导体中的空穴浓度 材料电阻率 载流子迁移率 14 霍耳电势VH与I B的乘积成正比 而与d成反比 可改写成 电流密度j nqv n N型半导体中的电子浓度 P型半导体 霍耳系数 由材料物理性质决定 p P型半导体中的空穴浓度 材料电阻率 载流子迁移率 金属材料电子 很高但 很小 绝缘材料 很高但 很小 故为获得较强霍耳效应 霍耳片全部采用半导体材料制成 而电子的迁移率比空穴大 所以以N型半导体居多 15 设KH RH d KH 霍尔元件灵敏度 它与材料的物理性质和几何尺寸有关 它决定霍尔电势的强弱 若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为 时 霍耳电势应为 VH KHIB VH KHIBcos 16 设KH RH d KH 霍尔元件灵敏度 它与材料的物理性质和几何尺寸有关 它决定霍尔电势的强弱 若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为 时 霍耳电势应为 VH KHIB VH KHIBcos 注意 当控制电流的方向或磁场方向改变时 输出霍耳电势的方向也改变 但当磁场与电流同时改变方向时 霍耳电势并不改变方向 17 霍耳器件片a 实际结构 mm b 简化结构 c 等效电路外形尺寸 6 4 3 1 0 2 有效尺寸 5 4 2 7 0 2 三 霍耳磁敏传感器 霍尔元件 d s l b 2 1 5 4 2 7 A B 0 2 0 5 0 3 C D a w 电流极 霍耳电极 R4 c 18 控制电流I 霍耳电势VH 控制电压V 输出电阻R2 输入电阻R1 霍耳负载电阻R3 霍耳电流IH 图中控制电流I由电源E供给 R为调节电阻 保证器件内所需控制电流I 霍耳输出端接负载R3 R3可是一般电阻或放大器的输入电阻 或表头内阻等 磁场B垂直通过霍耳器件 在磁场与控制电流作用下 由负载上获得电压 19 控制电流I 霍耳电势VH 控制电压V 输出电阻R2 输入电阻R1 霍耳负载电阻R3 霍耳电流IH 图中控制电流I由电源E供给 R为调节电阻 保证器件内所需控制电流I 霍耳输出端接负载R3 R3可是一般电阻或放大器的输入电阻 或表头内阻等 磁场B垂直通过霍耳器件 在磁场与控制电流作用下 由负载上获得电压 实际使用时 器件输入信号可以是I或B 或者IB 而输出可以正比于I或B 或者正比于其乘积IB 20 上两式是霍尔元件中的基本公式 即 输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系 同理 如果输入电流或电压中任一项固定时 磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系 同样 若给出控制电压V 由于V R1I 可得控制电压和霍耳电势的关系式 设霍耳片厚度d均匀 电流I和霍耳电场的方向分别平行于长 短边界 则控制电流I和霍耳电势VH的关系式 21 四 基本特性 1 直线性 指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I V B之间呈线性关系 VH KHBI 2 灵敏度 可以用元件灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度 电势灵敏度表示 KH Hall元件灵敏度 表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值 mV mA KGs 因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定 故又称为乘积灵敏度 22 KB 磁场灵敏度 通常以额定电流为标准 磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值 常用于磁场测量等情况 KI 电流灵敏度 电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值 若控制电流值固定 则 VH KBB 若磁场值固定 则 VH KII 23 3 最大输出功率在霍耳电极间接入负载后 元件的功率输出与负载的大小有关 当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时 霍耳输出功率为最大 4 最大效率霍耳器件的输出与输入功率之比 称为效率 和最大输出对应的效率 称为最大效率 即 5 负载特性当霍耳电极间串接有负载时 因为流过霍耳电流 在霍尔元件上将产生压降 故实际霍耳电势比理论值小 由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响 霍耳电势和磁感应强度之间的关系改变 如图所示 24 80 60 40 20 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 VH mV 空载 7 0 1 5 3 0 B T 理论值 实际值 VH R3 I 霍耳电势的负载特性 R3 R2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况 25 7 温度特性 指霍耳电势或灵敏度的温度特性 以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性 它们可归结为霍耳系数和电阻率 或电导率 与温度的关系 霍耳材料的温度特征 a RH与温度的关系 b 与温度的关系 RH cm2 A 1 250 200 150 100 50 40 80 120 160 200 LnSb LnAs T 0 2 4 6 7 10 3 cm LnAs 200 150 100 50 LnSb T 0 双重影响 元件电阻 采用恒流供电 载流子迁移率 影响灵敏度 二者相反 26 8 频率特性磁场恒定 而通过传感器的电流是交变的 器件的频率特性很好 到10kHz时交流输出还与直流情况相同 因此 霍耳器件可用于微波范围 其输出不受频率影响 磁场交变 霍耳输出不仅与频率有关 而且还与器件的电导率 周围介质的磁导率及磁路参数 特别是气隙宽度 等有关 这是由于在交变磁场作用下 元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故 总之 在交变磁场下 当频率为数十kHz时 可以不考虑频率对器件输出的影响 即使在数MHz时 如果能仔细设计气隙宽度 选用合适的元件和导磁材料 仍然可以保证器件有良好的频率特性的 27 造成测量误差的主要因素有两类 半导体固有特性和半导体制造工艺的缺陷 误差表现为 零位误差和温度误差 零位误差 霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势称为零位电势 又称为不等位电势 主要原因在于霍尔电极不在同一等位面 五 霍尔元件的测量误差 可采用电桥平衡原理补偿 28 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器 它能感知一切与磁信息有关的物理量 并以开关信号形式输出 霍耳开关集成传感器具有使用寿命长 无触点磨损 无火花干扰 无转换抖动 工作频率高 温度特性好 能适应恶劣环境等优点 六 霍耳开关集成传感器 29 由稳压电路 霍耳元件 放大器 整形电路 开路输出五部分组成 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作 开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口 1 霍耳开关集成传感器的结构及工作原理 30 31 2 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线上可以看出 工作特性有一定的磁滞BH 这对开关动作的可靠性非常有利 图中的BOP为工作点 开 的磁感应强度 BRP为释放点 关 的磁感应强度 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 VOUT V 12 ON OFF BRP BOP BH B 霍耳开关集成传感器的技术参数 工作电压 磁感应强度 输出截止电压 输出导通电流 工作温度 工作点 0 32 2 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线上可以看出 工作特性有一定的磁滞BH 这对开关动作的可靠性非常有利 图中的BOP为工作点 开 的磁感应强度 BRP为释放点 关 的磁感应强度 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 VOUT V 12 ON OFF BRP BOP BH B 霍耳开关集成传感器的技术参数 工作电压 磁感应强度 输出截止电压 输出导通电流 工作温度 工作点 0 该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系 当外加磁感强度高于BOP时 输出电平由高变低 传感器处于开状态 当外加磁感强度低于BRP时 输出电平由低变高 传感器处于关状态 33 3 霍耳开关集成传感器的应用 1 霍耳开关集成传感器的接口电路 34 35 磁铁轴心接近式在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下 随磁铁与传感器的间隔距离的增加 作用在传感器表面的磁感强度衰减很快 当磁铁向传感器接近到一定位置时 传感器开关接通 而磁铁移开到一定距离时开关关断 应用时 如果磁铁已选定 则应按具体的应用场合 对作用距离作合适的选择 2 给传感器施加磁场的方式 36 磁铁侧向滑近式要求磁铁平面与传感器平面的距离不变 而磁铁的轴线与传感器的平面垂直 磁铁以滑近移动的方式在传感器前方通过 37 采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 在霍耳开关应用时 提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面 除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外 还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度 38 点火系统 保安系统 转速 里程测定 机械设备的限位开关 按钮开关 电流的测定与控制 位置及角度的检测等等 4 霍耳开关集成传感器的应用领域 39 1 霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系 这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成 当外加磁场时 霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压 经放大器放大后输出 七 霍耳线性集成传感器 40 1 霍耳线性集成传感器的结构及工作原理在实际电路设计中 为了提高传感器的性能 往往在电路中设置稳压 电流放大输出级 失调调整和线性度调整等电路 七 霍耳线性集成传感器 41 1 霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态 而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应 因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置 力 重量 厚度 速度 磁场 电流等的测量或控制 霍耳线性集成传感器有单端输出和双端输出两种 其电路结构如下图 七 霍耳线性集成传感器 42 单端输出的传感器是一个三端器件 它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应 通常将输出电压连到外接放大器 将输出电压放大到较高的电平 其典型产品是SL3501T 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件 它可提供差动射极跟随输出 还可提供输出失调调零 其典型产品是SL3501M 43 2 霍耳线性集成传感器的主要技术特性 1 传感器的输出特性如下图 44 八 霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳效应制作的霍耳器件 不仅在磁场测量方面 而且在测量技术 无线电技术 计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用 45 八 霍耳磁敏传感器的应用利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性 可借助于固定元件的控制电流 对磁量以及其他可转换成磁量的电量 机械量和非电量等进行测量和控制 应用这类特性制作的器具有磁通计 电流计 磁读头 位移计 速度计 振动计 罗盘 转速计 无触点开关等 46 利用霍耳传感器制作的仪器优点 1 体积小 结构简单 坚固耐用 2 无可动部件 无磨损 无摩擦热 噪声小 3 装置性能稳定 寿命长 可靠性高 4 频率范围宽 从直流到微波范围均可应用 5 霍耳器件载流子惯性小 装置动态特性好 47 利用霍耳传感器制作的仪器优点 1 体积小 结构简单 坚固耐用 2 无可动部件 无磨损 无摩擦热 噪声小 3 装置性能稳定 寿命长 可靠性高 4 频率范围宽 从直流到微波范围均可应用 5 霍耳器件载流子惯性小 装置动态特性好 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点 但是 由于新材料新工艺不断出现 这些缺点正逐步得到克服 48 测量磁场的大小和方向 49 50 8 2磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件 也称MR元件 它的理论基础为磁阻效应 51 8 2磁敏电阻电阻随磁场变化而变化的磁敏元件 也称MR元件 它的理论基础为磁阻效应 一 磁阻效应若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场 则其电阻值就增加 称此种现象为磁致电阻效应 简称为磁阻效应 52 在磁场中 电流的流动路径会因磁场的作用而加长 使得材料的电阻率增加 若某种金属或半导体材料的两种载流子 电子和空穴 的迁移率十分悬殊 主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化 它可表示为 为磁感应强度 材料在磁感应强度为 时的电阻率 0 材料在磁感应强度为0时的电阻率 载流子的迁移率 53 L W B B 几何磁阻效应 I I a b 54 长方形磁阻器件只有在L 长度 W 宽度 的条件下 才表现出较高的灵敏度 把L W的扁平器件串联起来 就会零磁场电阻值较大 灵敏度较高的磁阻器件 55 图 a 是没有栅格 短路电极 时 电流只在电极附近偏转 电阻增加很小 L W B B 几何磁阻效应 I I a b 在L W长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条 即短路栅格 以短路霍耳电势 这种栅格磁阻器件如图 b 所示 就相当于许多扁条状磁阻串联 所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值 又提高了磁阻器件的灵敏度 56 常用的磁阻元件有半导体磁阻元件和强磁磁阻元件 其内部有制作成半桥或全桥等多种形式 57 1灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示 即磁场 电阻特性的斜率 常用K表示 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为在施加0 3T磁感应强度时磁阻元件表现出来的电阻值 这种情况下 一般磁阻元件的灵敏度大于2 7 二 磁阻元件的主要特性 58 2磁场 电阻特性 磁阻元件磁场 电阻特性 N级 0 3 0 2 0 1 0 0 1 0 2 0 3 R 1000 500 S级 a S N级之间电阻特性 B T 15 RBR0 10 5 温度 25 弱磁场下呈平方特性变化 强场下呈直线特性变化 0 b 电阻变化率特性 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 B T 磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关 它只随磁场强度的增加而增加 在0 1T以下的弱磁场中 曲线呈现平方特性 而超过0 1T后呈现线性变化 59 3电阻 温度特性下图是一般半导体磁阻元件的电阻 温度特性曲线 从图中可以看出 半导体磁阻元件 103 8 4 2 102 4 2 10 6 40 0 20 60 100 温度 电阻变化率 半导体元件电阻 温度特性曲线 的温度特性不好 图中的电阻值在35 的变化范围内减小了1 2 因此 在应用时 一般都要设计温度补偿电路 60 三 磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为电流传感器 磁敏接近开关 角速度 角位移传感器 磁场传感器等 可用于开关电源 UPS 变频器 伺服马达驱动器 家庭网络智能化管理 电度表 电子仪器仪表 工业自动化 智能机器人 电梯 智能住宅 机床 工业设备 断路器 防爆电机保护器 家用电器 电子产品 电力自动化 医疗设备 机床 远程抄表 仪器 自动测量 地磁场的测量 探矿等 61 8 3磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管 三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件 特点 磁灵敏度高 磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍 能识别磁场的极性 体积小 电路简单等 62 一 磁敏二极管 SMD 的原理和特性1 磁敏二极管的结构与工作原理 1 磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种 磁敏二级管的结构是P i N 型 在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域 并将较长的本征区 i区 的一个侧面打毛形成高复合区 r区 而与r区相对的另一侧面 保持为光滑无复合表面 这就构成了磁敏二极管的管芯 其结构如图 63 一 磁敏二极管 SMD 的原理和特性 64 P N P N P N H 0 H H 电流 电流 电流 a b c 磁敏二极管的工作原理示意图 2 磁敏二极管的工作原理 i i i 电子 空穴 复合区 65 P N P N P N H 0 H H 电流 电流 电流 a b c 磁敏二极管的工作原理示意图 流过二极管的电流也在变化 也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同 2 磁敏二极管的工作原理当磁敏二极管的P区接电源正极 N区接电源负极即外加正偏压时 随着磁敏二极管所受磁场的变化 i i i 电子 空穴 复合区 66 结论 随着磁场大小和方向的变化 可产生输出电流 电压 的变化 特别是在较弱的磁场作用下 可获得较大输出电压 若r区和r区之外的复合能力之差越大 那么磁敏二极管的灵敏度就越高 磁敏二极管反向偏置时 则在r区仅流过很微小的电流 显得几乎与磁场无关 因而流过二极管的电流 端电压 不会因受到磁场作用而有任何改变 67 2 磁敏二极管的主要特征 1 伏安特性在给定磁场情况下 磁敏二极管两端 正向偏压和通过它的电流的关系曲线 68 由图可见硅磁敏二极管的伏安特性有两种形式 一种如图 b 所示 开始在较大偏压范围内 电流变化比较平坦 随外加偏压的增加 电流逐渐增加 此后 伏安特性曲线上升很快 表现出其动态电阻比较小 另一种如图2 6 29 c 所示 硅磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻现象 即电流急增的同时 有偏压突然跌落的现象 产生负阻现象的原因是高阻硅的热平衡载流子较少 且注入的载流子未填满复合中心之前 不会产生较大的电流 当填满复合中心之后 电流才开始急增之故 69 2 磁电特性在给定条件下 磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场间的变化关系 叫做磁敏二极管的磁电特性 下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线 70 3 温度特性温度特性是指在标准测试条件下 输出电压变化量 或无磁场作用时中点电压 随温度变化的规律 如图所示 互补 两只性能相近的磁敏二极管按相反磁极性组合 并串联在电路中 71 由图可见 磁敏二极管受温度的影响较大 反映磁敏二极管的温度特性好坏 也可用温度系数来表示 硅磁敏二极管在标准测试条件下 u0的温度系数小于 20mV 的温度系数小于0 6 而锗磁敏二极管u0的温度系数小于 60mV 的温度系数小于1 5 所以 规定硅管的使用温度为 40 85 而锗管则现定为 40 65 72 4 频率特性硅磁敏二极管的响应时间 几乎等于注入载流子漂移过程中被复合并达到动态平衡的时间 所以 频率响应时间与载流子的有效寿命相当 硅管的响应时间小于1 即响应频率高达1MHz 锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz 73 二 磁敏三极管的工作原理和主要特性1 磁敏三极管的结构与原理 1 磁敏三极管的结构NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上 用合金法或扩散法形成三个结 即发射结 基极结 集电结所形成的半导体元 图2 6 33NPN型磁敏三极管的结构和符号a 结构b 符号 r N N c e H H P b c e b a b 件 如图 最大的特点是基区很长 基区结构类似于磁敏二极管 i 74 2 磁敏三极管的工作原理 75 当不受磁场作用如图时 由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度 因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外 大部分通过e i b而形成基极电流 显而易见 基极电流大于集电极电流 所以 电流放大系数 Ic Ib 1 当受到H 磁场作用如图 b 时 由于洛仑兹力作用 载流子向发射结一侧偏转 从而使集电极电流明显下降 当受磁场使用如图 c 时 载流子