第九章-磁敏传感器(讲).ppt

1，2，3，霍尔磁传感器2、磁阻3、磁二极管和磁晶体管、9、8.1霍尔磁传感器(1)霍尔效应、放置在磁场B中的导体或半导体片、在相对侧传导的电流I、大小与电流I和在垂直于电流和磁场的方向上产生的磁感应强度B的乘积成比例的电动势。这种现象被称为霍尔效应。这个势叫做霍尔势，这个薄板叫做霍尔元件。霍尔效应的原理图，D，VH，10，和(2)霍尔磁传感器的工作原理是霍尔元件是长度为L，宽度为B，厚度为D的N型半导体。如果电子以匀速运动，空穴将在垂直施加的磁感应强度B的作用下受到洛仑兹力q电子电荷(1.6210-19c)。v形载体运动速度。11，根据右手螺旋法则，如果电子运动的方向向上移动，电子将在上端积累，当电子在下端丢失时，正电荷将积累。从而形成电场。电场作用于电子的电场力是电场力与洛仑兹力相反，它阻止电子继续偏转。当达到动态平衡时，12，霍尔电势VH与I和B的乘积成正比，但与D成反比。可改写为：电流密度j=nqv，n-n型半导体中的电子浓度，p型半导体，霍尔系数，由材料的物理性质决定。P-P半导体中的空穴浓度，-材料电阻率-载流子迁移率，13，霍尔电位VH正比于I和B的乘积，但反比于d。可改写为：电流密度j=nqv，n-n型半导体中的电子浓度，P型半导体，霍尔系数，由材料物理性质决定。P-P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。因此，为了获得强霍尔效应，霍尔片全部由半导体材料制成。电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以N型半导体占主导地位。14，设置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，并决定霍尔势的强度。如果磁感应强度b的方向和霍尔元件的平面法线之间的角度为，霍尔电位应为：VH=khib，VH=khibcos ，15，设置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，并决定霍尔势的强度。如果磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线之间的角度为，霍尔电势应为：VH=KHIB，VH=KHIBCOS 。注意：当控制电流或磁场的方向改变时，输出霍尔电位的方向也改变。然而，当磁场和电流同时改变方向时，霍尔电势不改变方向。16、霍尔器件芯片a)实际结构(mm)；(b)简化结构；等效电路尺寸：6 . 43 . 10 . 2；有效尺寸：5.42.70.2，(三)霍尔传感器(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，霍尔电极，R4，(C)，17，控制电流I；霍尔电位。控制电压v；输出电阻R2；输入电阻R1；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。在图中，控制电流I由电源e提供，r是调节电阻，以确保器件中所需的控制电流I。霍尔输出端连接到负载R3，负载R3可以是普通电阻或放大器的输入电阻，或仪表的内阻等。磁场B垂直穿过霍尔器件，在磁场和控制电流的作用下，从负载获得电压。18、控制电流I；霍尔电位。控制电压v；输出电阻R2；输入电阻R1；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。在图中，控制电流I由电源e提供，r是调节器磁场B垂直穿过霍尔器件，在磁场和控制电流的作用下，从负载获得电压。在实际使用中，器件的输入信号可以是I或b或IB，输出可以与I或b成比例，或者与其乘积IB成比例。以上两个公式是霍尔元件中的基本公式。也就是说，输入电流或电压和霍尔输出电势是完全线性的。类似地，如果任何输入电流或电压是固定的，磁感应强度和输出电势也是完全线性的。类似地，如果给定控制电压V，因为V=R1I，所以可以获得控制电压和霍尔电势之间的关系。如果霍尔板的厚度d是均匀的，并且电流I和霍尔电场的方向分别平行于长边界和短边界，则控制电流I和霍尔电势VH之间的关系是20，(4)基本特性，1，线性度：分别指霍尔器件的输出电势VH和基本参数I，v，b之间的线性关系。VH=KHBI，2。灵敏度：可通过元件灵敏度或磁场灵敏度、电流灵敏度和电势灵敏度来表示：霍尔元件灵敏度，表示霍尔电势VH与磁感应强度b和控制电流I的乘积mV/(mAKs)之间的比值。因为霍尔元件的输出电压是由两个输入量的乘积决定的，所以也称为产品灵敏度。21，KB磁场灵敏度，通常基于额定电流。当霍尔元件以额定电流通电时，磁场灵敏度等于对应于每单位磁感应强度的霍尔电位值。常用于磁场测量等。电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件下单位磁感应电流对应的霍尔电位值。如果控制电流值是固定的，那么：VH=kbb如果磁场值是固定的，那么：VH=kii，22，3。在最大输出功率连接到霍尔电极之间的负载之后，元件的功率输出与负载的大小相关。当霍尔电极之间的内阻R2等于霍尔负载电阻R3时，霍尔输出功率最大。具有最大效率的霍尔器件的输出功率与输入功率之比被称为效率，而对应于最大输出的效率被称为最大效率，即负载特性当负载串联在霍尔电极之间时，实际霍尔电势小于理论值，因为由于霍尔电流流过霍尔元件，霍尔元件上将出现电压降。由于霍尔电极之间的内阻和磁阻效应的影响，霍尔电位和磁感应强度之间的关系发生变化。如图所示。23、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、霍尔电位的负载特性、=R3/R2、霍尔电位随负载电阻值的变化、23、80、60、40、20、0、0、0、0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0它们可以归因于霍尔系数与电阻率(或电导率)和温度之间的关系。霍尔材料的温度特性(相对温度)；(b)与温度的关系、RH/cm2/载流子迁移率影响灵敏度。两者是相反的。当通过传感器的电流是交变的时，频率特征磁场是恒定的。该装置的频率特性非常好，交流输出与10kHz的DC输出相同。因此，霍尔器件可用于微波范围，其输出不受频率影响。磁场交替变化。霍尔输出不仅与频率有关，还与器件的电导率、周围介质的磁导率和磁路参数(尤其是气隙宽度)等有关。这是因为在交变磁场的作用下，元件和导体内部会产生涡流。总之，在交变磁场下，当频率为几十千赫时，频率对输出的影响零位误差：施加控制电流但没有外部磁场作用于霍尔元件时的霍尔电位称为零位电位，也称为不等位电位。主要原因是霍尔电极不在同一个等电位面上。(5)霍尔元件的测量误差可用电桥平衡原理补偿。霍尔开关集成传感器是霍尔效应和集成电路技术相结合的一种磁传感器。它可以感知所有与磁信息相关的物理量，并以开关信号的形式输出。霍尔开关集成传感器具有寿命长、无接触磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、适应恶劣环境等优点。(6)霍尔开关集成传感器，28，由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路和开路输出组成。稳压电路可以使传感器在更宽的电源电压范围内工作；开路输出使传感器能够轻松与各种逻辑电路接口。1.霍尔开关集成传感器29、30、2的结构和工作原理。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线可以看出，其工作特性有一定的滞后现象，这对开关工作的可靠性非常有利。图中BOP是工作点“开”的磁感应强度，BRP是释放点“关”的磁感应强度。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线，VOUT/V，12、开、关、BRP、BOP、BH、B，霍尔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。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线从工作特性曲线可以看出，其工作特性有一定的滞后现象，这对开关工作的可靠性非常有利。图中BOP是工作点“开”的磁感应强度，BRP是释放点“关”的磁感应强度。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线，VOUT/V，12、开、关、BRP、BOP、BH、B，霍尔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，该曲线反映了所施加的磁场和传感器输出水平之间的关系。当施加的磁感应强度高于防喷器时，输出水平从高变低，传感器处于接通状态。当施加的磁感应强度低于BRP时，输出电平从低变高，并且传感器处于关闭状态。霍尔开关集成传感器的应用(1)霍尔开关集成传感器(33，34，磁轴接近式)的接口电路在磁体的轴方向垂直于传感器轴并与传感器轴重合的情况下，作用在传感器表面的磁感应强度随着磁体与传感器之间距离的增加而迅速衰减。当磁铁靠近传感器的某个位置时，传感器开关打开，当磁铁移动到某个距离时，开关关闭。在应用中，如果选择了磁体，则应根据具体应用情况适当选择作用距离。(2)向传感器35施加磁场的方式，以及(2)磁体侧向滑动要求磁体平面和传感器平面之间的距离恒定，并且磁体的轴线垂直于传感器平面。磁铁以滑动的方式从传感器前面穿过。磁集中器用于增加传感器的磁感应强度。应用霍尔开关时，提高励磁传感器的磁感应强度是一个重要方面。除了选择具有高磁感应强度的磁体或减小磁体与传感器之间的距离之外，可以采用以下方法来增强传感器的磁感应强度。37、点火系统、安全系统速度、里程测量、机械设备限位开关按钮开关、电流测量和控制、位置和角度检测等。霍尔线性集成传感器的输出电压与施加的磁场成线性比例。这种传感器通常由霍尔元件和放大器组成。当施加磁场时，霍尔元件产生(7)霍尔线性集成传感器，39，1。霍尔线性集成传感器的结构和工作原理在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，通常在电路中安装稳压、电流放大输出级、失调调整和线性调整等电路。(7)霍尔线性集成传感器，40，1。霍尔线性集成传感器的结构和工作原理霍尔开关集成传感器的输出有低电平和高电平两种状态，而霍尔线性集成传感器的输出是对外部磁场的线性感应。因此，霍尔线性集成传感器广泛用于测量或控制位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等。霍尔线性集成传感器有单端输出和双端输出，其电路结构如下图所示。(7)霍尔线性集成传感器，41。具有单端输出的传感器是一个三端器件。它的输出电压可以线性响应外加磁场的微小变化。通常，输出电压连接到外部放大器，以将输出电压放大到更高的水平。典型产品是SL3501T。双端输出传感器是一款8引脚双列直插式封装器件，可以提供差分发射极跟随输出和输出失调调零。典型的产品是SL3501M。霍尔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所示：43，(8)霍尔效应制成的霍尔磁传感器霍尔器件的应用不仅广泛应用于磁场测量，还广泛应用于测量技术，无线电技术，计算技术和自动化技术。霍尔磁传感器的应用是利用霍尔电势与外加磁通密度成正比的特性，通过固定元件的控制电流，可以测量和控制磁量和其他可以转换成磁量的电量、机械量和非电量。具有这种特性的装置包括磁通计、电流计、磁读取头、位移计、速度计、振动计、指南针、转速表、无接触开关等。(1)体积小，结构简单，坚固耐用。(2)无运动部件，无磨损，无摩擦热，噪音小。(3)设备性能稳定，使用寿命长，可靠性高。(4)宽频率范围，适用于从DC到微波。(5)霍尔器件载体惯性小，动态特性好。霍尔传感器仪器的优点是：(1)体积小，结构简单，经久耐用。(2)无运动部件，无磨损，无摩擦热，噪音小。(3)设备性能稳定，使用寿命长，可靠性高。(4)宽频率范围，适用于从DC到微波。(5)霍尔器件载体惯性小，动态特性好。霍尔器件也有明显的缺点，如转换效率低和温度影响大。然而，由于新材料和工艺的不断出现，这些缺点正在逐渐被克服。47、测量磁场的大小和方向，48、49、8.2磁阻是一种磁阻元件，其电阻随着磁场的变化而变化，也称为磁阻元件。其理论基础是磁阻效应。50，8.2磁敏元件，其磁敏电阻