磁敏传感器PPT课件

1、霍尔电势霍尔电势U UH H为为sinIBKUHH霍尔常数霍尔常数磁感应强度磁感应强度电流与磁场电流与磁场方向的夹角方向的夹角 霍尔元件一般由锗霍尔元件一般由锗(Ge)(Ge)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)等半导体材料制成。等半导体材料制成。霍尔元件霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。将霍尔片、由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。即构成线性霍尔传感器。 1第1页/共22页 霍尔传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。霍尔传

2、感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。 开关型开关型霍尔传感器：由霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、霍尔元件、放大器、施密特整形电施密特整形电路路和集电极开路输出等部分组成。和集电极开路输出等部分组成。2第2页/共22页关于施密特触发器关于施密特触发器施密特触发器的工作特点：施密特触发器的工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈输入信号增加和

3、减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。 o vI vO VOH VOL (a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI3第3页/共22页门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器vI VT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a) 工作波形工作波形(b) 传输特性曲线传输特性曲线 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI14第4页/共22页霍尔传感器应用霍尔传感器应用1）直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以直流无刷电机的位置传感器，检测

4、转子位置，以 实实现换向现换向霍 尔 元 件霍 尔 元 件H2面向转面向转子子N极方向极方向H2导导通 为通 为低 电低 电平平功率功率管管VT2导通导通绕组绕组W2通通过电流过电流IW2S转子顺时转子顺时针旋转针旋转5第5页/共22页2 2）测转角测转角6第6页/共22页2 2）测转角测转角7第7页/共22页3 3）电流传感器电流传感器/ /钳形表钳形表 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。软磁材料来聚集，

5、然后用霍尔器件进行检测。 8第8页/共22页叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器4）叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器9第9页/共22页5 5）汽车速度测量汽车速度测量10第10页/共22页1 1一轴一轴 2 2一外壳一外壳 3 3电路电路 4 4一定子一定子55线圈线圈 6 6一霍尔元件一霍尔元件 7 7一永磁转子一永磁转子6 6）电动自行车电动自行车/ /霍尔电机霍尔电机11第11页/共22页7）铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS12第12页/共22页案例：案例：输油管检测用管道猪输油管检测用管道猪( (PiggingPigging) )13第13页/共22页霍尔元件霍尔元件

6、可以用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。可以用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度补偿。在做精密测量时应作温度补偿。二、磁敏电阻二、磁敏电阻 磁阻效应磁阻效应当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场而变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。场而变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。 磁阻效应磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。运动是伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生

7、偏转后，其从一个电电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途极到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。径长些，因此增加了电阻率。 磁阻效应磁阻效应与半导体材料的迁移率，几何形状有关。一般迁与半导体材料的迁移率，几何形状有关。一般迁移率愈高，元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。移率愈高，元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。 制造磁敏电阻的材料：制造磁敏电阻的材料：锑化铟锑化铟(InSb),(InSb),砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)等。等。14第14页/共22页 磁电阻测量实验磁电阻测量实验外接

8、电阻外接电阻磁阻器磁阻器R12VNS 处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过对压电路中，通过对R R的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电压表联接压表联接1 1或或2 2可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。 实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值R R0 0可达几百欧姆，可达几百欧姆，在磁感应强度在磁感应强度B=1.0TB=1.0T时，其阻值时，其阻值R RB B与与R R0 0的比值可高

9、达的比值可高达1212左右。左右。15第15页/共22页 磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，制很大，制作工艺难度大，应用受到限制。作工艺难度大，应用受到限制。三、磁敏管三、磁敏管1 1 磁敏二极管磁敏二极管 （1 1）磁敏二极管的结构）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管通二极管PNPN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的级管的PNPN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区

10、是结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用=40cm=40cm左右的左右的P P型或型或N N型单晶做基区型单晶做基区( (锗本征半导体的锗本征半导体的=50cm)=50cm)，在它的两端有，在它的两端有P P型和型和N N型锗，并引出，若型锗，并引出，若代表长代表长基区，则其基区，则其PNPN结实际上是由结实际上是由P P结和结和N N结共同组成。结共同组成。 以以2ACM1A2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是为例，磁敏二级管的结构是P P+ +ININ+ +型。型。16第16页

11、/共22页+（b）H+H-N+区p+区I区r区电流（a）磁敏二极管磁敏二极管 (a) (a)结构结构 (b) (b)电路符号电路符号 在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两型两个区域，并在本征区（个区域，并在本征区（I I）区的一个侧面上，设置高复合区）区的一个侧面上，设置高复合区( (利利用喷砂打毛，形成粗糙的表面，称为用喷砂打毛，形成粗糙的表面，称为r r面。由于粗糙的表面处容面。由于粗糙的表面处容易使电子易使电子空穴对复合而消失，故空穴对复合而消失，故r r面是高复合区，面是高复合区， 也称为也称为r r区区) )，而

12、与，而与r r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就区相对的另一侧面，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。构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。17第17页/共22页（2 2）磁敏二极管的工作原理）磁敏二极管的工作原理 磁敏二极管的工作原理PNPNPNH=0H+H-电流电流电流（a）（b）（c）III电子孔穴复合区 当磁敏二极管外加正向当磁敏二极管外加正向偏压，偏压，即即P P区接电源正极，将有大量空穴区接电源正极，将有大量空穴从从P P区注入到区注入到I I区。若将其放入磁区。若将其放入磁场中，则注入的空穴和电子都要场中，则注入的空穴和电子都要受到洛仑兹力的作用

13、而发生偏转。受到洛仑兹力的作用而发生偏转。当磁场方向使空穴，电子向当磁场方向使空穴，电子向r r面面偏偏转时，它们将大量复合，因而电转时，它们将大量复合，因而电流很小；当流很小；当磁场方向使空穴，电磁场方向使空穴，电子向子向光滑面光滑面偏转时，它们的复合偏转时，它们的复合率变小，电流就大。故率变小，电流就大。故可根据某可根据某一偏压下的电流值来确定磁感应一偏压下的电流值来确定磁感应强度的大小和磁场方向。强度的大小和磁场方向。 当磁敏二极管反向偏置时，在当磁敏二极管反向偏置时，在r区仅流过很微小的电流，显得区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。任何改变。 18第18页/共22页磁