传感器原理设计与应用-精品课件

传感器原理设计与应用精品课件传感器原理设计与应用公式为2）、霍尔传感器应用A、霍尔式位移传感器如果保持电流不变，使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中转动时，则输出的霍尔电压取决于它在磁场中的位移量Z，磁场梯度越大灵敏度越高。图（A）图（B）图（C）B、霍尔式压力压差传感器把霍尔元件装在弹性元件上，弹性元件受力产生位移时，将带动霍尔元件。在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电压势。C、霍尔集成电路图是霍尔开关集成传感器的外形及典型应用电路霍尔效应集成电路将霍尔电压发生器，放大器，施密特触发器以及输出电路集成在一块芯片上，为使用者提供了一种简化和完善的磁敏元件，其输出信号明快，开关过程中无抖动现象，能耗小，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关，代号“CIC”。霍尔效应集成电路分霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路，现分析一下霍尔开关集成电路工作原理。霍尔开关集成电路图是霍尔开关集成传感器的内部结构框图。它主要由稳压电路、霍尔元件、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宠的电源电压范围内工作，开路输出可以使传感器方便地与各种逻辑电路接门。霍尔开关集成传感器的原理及工作过程可简述如下当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理霍尔元件输出电压VH，该电压经放大器放大后送至施密特整形电路。当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转输出高电平，使半导体管V导通且具有吸收电流的负载能力，这冲状态我们称它为开状态。当磁场减弱时，霍尔元件输出的VH电压很小，经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形2S再次翻转输出低电平使半导体管V截止，这种状态我们称它为关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成一次开关动作。2、磁敏电阻磁敏电阻是利用磁阻效应制成的电阻体，可作成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。若给通有电流的金属或半导体薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则试件的电阻值就增加，即磁电阻变化效应。根据制作材料不同可分为半导体磁敏电阻和强磁性金属薄膜磁敏电阻两类。/0273SIN2HB2电流与磁场夹角；H霍尔迁移率；0纵向磁阻效应90横向磁阻效应3、磁敏二极管和磁敏三极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，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。（一）磁敏二极管（SMD）的工作原理1、结构磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，P，N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面为I区），另一面打毛，设置成高复合区为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。PNIR2、工作原理（1）当磁敏二极管没受到外界磁场作用时，外加正偏压，如图所示、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区复合掉。（2）当有外界磁场H作用时（向外），由于洛伦磁力作用FVB，作用大，电子和空穴都偏向R区，由于R区电子和空穴复合速度很快，因而I区的载流子密度减小，电流减小，即电阻增加，那么降在PI结NI结的电压相应减少，使载流子注入量减少，以致使电阻进一步增大，直到稳状态。没有磁场载流子数减少（3）当受到反向磁场H的作用时，电子和空穴向光滑面，因不复合，载流子在I区的停留时间变长，同时载流子继续注入I区，所以I区载流子密度增加，电流增加，电阻减少，分在PI区和NI压降增大，因此注入增大，一直使I区电阻减少，即磁敏二极管电阻减少。载流子数增加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。（二）磁敏三极管工作原理和主要特性1、磁敏三极管工作原理和结构磁敏三极管的结构如图所示。在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电被。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的R区和本征I区。长基区分为输运基区和复合基区。磁敏三极管用如图9186所示符号表示。由N、N、P三个区形成发射结，集电极，基极结。在长基区侧面形成高复合区RI在不加磁场时。因为基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入载流子除少部分输入到集电极外，大部分通过EIB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/IB1。当受到H磁场作用时，由于洛仑磁力作用下，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。当H磁场作用时，载流子在洛仑磁力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。（2）（3）（1）复合基区输运基区E在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。可以利用磁敏三级管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。十、气体传感器1半导体气体传感器2红外吸收式气敏传感器4热导率变化式气体传感器3接触燃烧式气敏传感器3、晶体管和集成温度传感器晶体管PN结温度传感器是利用晶体管半导体材料的PN结的伏安特性与温度之间的关系研制而成的一种固态传感器。1）、PN结测温原理根据半导体器件原理，流经晶体二极管的正向电流ID与这个PN结上的压降UD。有如下关系；其中，QVD为半导体材料的禁带宽度，B和为两个常数，其数值与器件的结构和工艺有关。PN结晶体二极管测温电路如图所示。利用二极管VD、R1、R2、R3和RM组成一个电桥电路，再用运算放大器把电桥输出电压信号放大并起到阻抗变换作用，可提高信号的质量。2、三极管温度传感器根据晶体管原理，处于正向工作状态的晶体三极管，其发射极电流和发射结电压能很好的符合以下关系因为在室温时，KTQ36MV左右，因此，在一般发射结正向偏置的条件下，都能满足VBEKTQ的条件，这时上式可以近似为由可知，温度与发射结压降VBE有对应关系，我们可以根据这一关系通过测VBE来测量温度T值，由式可知，两者是呈线性关系。其灵敏度为3、集成温度传感器模拟集成温度传感器典型产品有AD590、AD592、TH017、LML35等。数字温度传感器典型产品有DS1820等。举列1说明AD590是由美国哈里斯HARRIS公司、模拟器件公司ADI等生产的恒流源式模拟集成温度传感器。它兼有集成恒流源和集成温度传感器的特点，具有测温误差小、动态阻抗高、响应速度快、