磁传感器 医用传感器教学课件

第7章磁传感器 一 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场 磁场方向垂直于薄片 中 当有电流I流过时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH 这种物理现象称为霍尔效应 当通以电流I时 半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力洛仑兹力FL的作用 其大小为 在FL的作用下 电子发生偏移 在半导体的后端积聚负电荷 前端则为正电荷 形成电场 一 霍尔传感器的工作原理及特性 静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反 将阻止电子继续偏转 其大小为 当FL FE 0时 电子的积累达到动平衡 即 所以 设流过霍尔元件的电流为I时 式中bd为与电流方向垂直的截面积 n为单位体积内自由电子数 载流子浓度 RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数 kH为霍尔元件的灵敏度 由上述讨论可知 霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关 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 霍尔元件灵敏度的公式可知 霍尔元件的厚度d与kH成反比 式中 所以 因为 如果磁场和薄片法线有 角 那么 霍尔元件 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件 在薄片的长度方向两端面上焊有两根引线 图中a b线 称为控制电流端引线 通常用红色导线 在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线 图中c d线 通常用绿色导线 二 霍尔元件的电磁特性 UH I特性在磁场和环境温度一定时 霍尔输出电势UH与控制电流I之间呈线性关系 如图所示 直线的斜率称为控制电流灵敏度 用k1表示k1 UH I B恒定代入可以得到k1 kHB 因此 霍尔元件的灵敏度系数kH越大 其k1也越大 UH B特性当控制电流一定时 霍尔元件的开路输出随磁感应强度的增加并不是完全成线性关系 只有当B小于0 5T时 UH B的线性度才比较好 R B特性R B特性是指霍尔元件的输入 或输出 电阻与磁场之间的关系 霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大 这种现象称磁阻效应 对某种速度运动的电子 若霍尔电场作用力恰好抵消洛伦兹力 电子沿直线运动 小于此速度的电子将沿霍尔电场作用方向偏转 而大于此速度的电子将沿洛伦兹力方向偏转 这种偏转将沿控制电流电场方向的电流密度减小 也就是由于磁场的存在增加了元件的内阻 这就是磁阻效应的物理本质 二 霍尔元件的误差和补偿 1 不等电势U0及补偿零位误差是霍尔元件在不加磁场或不加控制电流时产生的霍尔电压 而不等位电势U0是主要的零位误差 不等位电势是由于元件输出极焊接不对称 厚薄不均匀以及两个输出电极接触不良等原因造成的 如下图 a 所示 除工艺上尽量使霍尔电极对称来降低U0 还需采用补偿电路加以补偿 下图给出几种常用的补偿方法 通常在某一桥臂上并上一定电阻而将U0降到最小 甚至为零 2 寄生直流电势当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时 霍尔输出除了交流不等位电势外 还有一直流电势分量 称寄生直流电势 3 感应零电势霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时 即使不加控制电流 霍尔端也会有输出 这个输出就是感应零电势 它是由于霍尔电极的引线布置不合理而造成的 4 自激场零电势当霍尔元件通以控制电流时 此电流也会产生磁场 该磁场称为自激场 二 霍尔元件的温度误差及其补偿 由于载流子浓度等随温度变化而变化 因此会导致霍尔元件的内阻 霍尔电势等也随温度变化而变化 而且温度高到一定程度 产生的变化相当大 温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差 针对温度变化导致内阻 输入 输出电阻 的变化 可以采用适当的补偿电路 1 采用恒流源供电 输入回路并联电阻进行补偿 为了减小误差 最好采用恒流源提供控制电流 但仍有温度误差 设温度t0时 元件灵敏度系数为 输入电阻为 而温度上升到t时 t0时 t时 因此 为了使霍尔电势不随温度而变化 必须保证t0和t时的霍尔电势相等 即 则可得 所以 选择输入回路并联电阻RP 可使温度误差减到极小 2 利用输出回路的负载进行补偿右图是输出补偿的基本线路 输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为 负载RL上的电压UL为 补偿电阻RL上的电压随温度变化最小的极值条件为 故 霍尔位移传感器 霍尔位移传感器可制作成如图 a 所示结构 在极性相反 磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件 当控制电流I恒定不变时 霍尔电势UH与外磁感应强度成正比 若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB dx 如图 b 所示为一常数时 则当霍尔元件沿x方向移动时 霍尔电势变化也应是一个常数K 位移传感器的输出灵敏度 即UH Kx 这说明霍尔电势与位移量成线性关系 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 当载流导体置于磁场中 其电阻会随磁场而变化 这种现象称为磁阻效应 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 第四节磁敏电阻式传感器 一 磁敏电阻式传感器 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 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 2 电阻 温度特性 半导体磁阻元件的温度特性不好 元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快 因此 在应用时 一般都要设计温度补偿电路 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 I区 另一面打毛 设置成高复合区 r区 一 磁敏二极管 二 磁敏二极管和磁敏三极管 1 磁敏二极管的结构 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 形成的电流因复合而减小 电阻增大 当磁敏二极管受到外界反向磁场作用时 电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区的对面偏移 由于电子和空穴复合率明显变小 因此 电流变大 电阻减小 利用磁敏二极管在磁场强度的变化下 其电流发生变化 于是就实现磁电转换 a b c 磁敏二极管工作原理示意图 三 磁敏二极管的主要特性 1 磁电特性 在给定的条件下 磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系 在弱磁场下 0 1T一下 输出电压与磁场强度成正比 随磁场强度增加 曲线趋于饱和 2 伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过其电流的关系 不同磁场强度H作用下 磁敏二极管伏安特性不同当所加偏压一定时 磁场按正方向增加时 二极管电阻增加 电流减小 在同一磁场下 电流越大 输出电压越大 3 温度特性 在标准测试条件下 输出电压变化量随温度的变化 温度升高时 电流急增 电压减少 磁灵敏度下降 须采用温度补偿 温度补偿电路 常用的补偿电路 采用两支性能接近的磁敏二极管 按相反磁极性组合 即将它们的磁敏面相对或背向放置 温度无论如何变化 两管的分压比不会发生变化 输出电压则不随温度变化 同时由于两管互补 当磁场变化时 输出电压变化量增加 能提高灵敏度 不仅能很好的实现温度补偿 提高灵敏度 电路如不平衡 可以适当调整桥臂电阻的大小 采用两个互补电路并联的方法实现 温度特性 对称性 灵敏度都好 但是需要寻找4个性能相近的磁敏二极管 1 磁敏三极管的结构与工作原理 在弱P型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极 基极和集电极 基区较长 基区侧面制成一个复合速率很高的复合区r 长基区分为运输基区和复合基区 二 磁敏三极管的工作原理和主要特性 a 结构 b 符号 当磁敏三极管末受磁场作用时 由于基区宽度大于载流子有效扩散长度 大部分载流子通过e I b形成基极电流 少数载流子输入到c极 因而形成基极电流大于集电极电流的情况 使 l 工作原理 当受到正向磁场 H 作用时 由于磁场的作用 洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧 导致集电极电流显著下降 当反向磁场 H 作用时 在H 的作用下 载流子向集电极一侧偏转 使集电极电流增大 图7 25磁敏三极管工作原理 a b c 由此可知 磁敏三极管在正 反向磁场作用下 其集电极电流出现明显变化 这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场 电流 转速 位移等物理量 与普通晶体管的伏安特性曲线类似 由图可知 磁敏三极管的电流放大倍数小于1 1 伏安特性 2 磁敏三极管的主要特性 1 为不受磁场作用时 2 磁场为 1kGs基极为3mA 2 磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础 右图为国产NPN型3BCM 锗 磁敏三极管的磁电特性 在弱磁场作用下 曲线接近一条直线 图7 273BCM磁敏三极管的磁电特性 3 温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感 使用时必须进行温度补偿 对于锗磁敏三极管如3ACM 3BCM 其磁灵敏度的温度系数为0 8 0C 硅磁敏三极管 3CCM 磁灵敏度的温度系数为 0 6 0C 因此 实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿 具体补偿电路如图所示 当温度升高时 V1管集电极电流IC增加 导致Vm管的集电极电流也增加 从而补偿了Vm管因温度升高而导致IC的下降 对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数 可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移 补偿电路 a 利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性 使其作为硅磁敏三极管的负载