传感器检测技术磁敏传感器ppt课件

1、传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1 1磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器磁敏传感器 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势的景象。上产生电动势的景象。霍耳效应原理图霍耳效应原理图+ +I I+ + + + + + + + + + + + +l lw wd dVHVH传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2 2磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院3 3磁敏传感器磁敏传感器KHKH霍耳器件的乘积灵敏度，与资料的物理性质和霍耳器件的乘积灵敏度，与资料的物理性质和

2、几何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电几何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。流时霍耳电势的大小。假设磁感应强度假设磁感应强度B B的方向与电流方向夹角为的方向与电流方向夹角为，霍耳，霍耳电势应为：电势应为： UHUH KH I B KH I B H H KH I B sin KH I B sin 留意：当控制电流的方向或磁场方向改动时，输出霍留意：当控制电流的方向或磁场方向改动时，输出霍耳电势的方向也改动。但当磁场与电流同时改动方向耳电势的方向也改动。但当磁场与电流同时改动方向时，霍耳电势并不改动方向。时，霍耳电势并不改动方向。传感器与测试技术传感器与测试技术机

3、电工程学院机电工程学院4 4磁敏传感器磁敏传感器80806060404020200 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0VH/(mV)VH/(mV)=7.0=7.0=1.5=1.5=3.0=3.0B(T)B(T)实践值实践值实际值实际值霍耳电势的负载特性霍耳电势的负载特性=R3/R2 =R3/R2 VHVHR3R3I I霍耳电势随负载电阻值而改动的情况霍耳电势随负载电阻值而改动的情况传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院5 5磁敏传感器磁敏传感器温度特性温度特性霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻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

4、温度特性。可归结为霍耳系数抗和输出阻抗的温度特性。可归结为霍耳系数和电阻率和电阻率( (或电导率或电导率) )与温度的关系。与温度的关系。霍耳资料的温度特征霍耳资料的温度特征a aRHRH与温度的关系；与温度的关系；b b与温度与温度的关系的关系RH/cm2/RH/cm2/A-1A-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT/T/0 02 24 46 6/7/710-3cm10-3cmLnAsLnAs2002001501501001005050LnSbLnSbT/T/0 0传感器与测试技术传感

5、器与测试技术机电工程学院机电工程学院6 6磁敏传感器磁敏传感器频率特性频率特性磁场恒定：给传感器通入交变电流。到磁场恒定：给传感器通入交变电流。到10kHz10kHz时交流输出时交流输出的频率特性很好。霍耳器件可用于微波范围，其输出不受频的频率特性很好。霍耳器件可用于微波范围，其输出不受频率影响。率影响。 磁场交变：霍耳电势不仅与频率有关，还与器件的电导率、磁场交变：霍耳电势不仅与频率有关，还与器件的电导率、周围介质的磁导率、磁路参数周围介质的磁导率、磁路参数( (特别是气隙宽度特别是气隙宽度) )等有关。这等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件内部产生涡流。是由于在交变磁场作用下，元件内部产

6、生涡流。 在交变磁场下，当频率为数十在交变磁场下，当频率为数十kHzkHz时，可以不思索频时，可以不思索频率对器件输出的影响，即使在数率对器件输出的影响，即使在数MHzMHz时，假设能仔细设计时，假设能仔细设计气隙宽度，选用适宜的元件和导磁资料，依然可以保证器气隙宽度，选用适宜的元件和导磁资料，依然可以保证器件有良好的频率特性的。件有良好的频率特性的。 传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院7 7磁敏传感器磁敏传感器霍尔传感器的运用霍尔传感器的运用 霍尔电势大小与磁场强度霍尔电势大小与磁场强度B B和控制电流和控制电流I I二二者的乘积成正比。适用中可以把者的乘积成正比。适用

7、中可以把I I或或B B作为输入作为输入信号，或两者同时作为输入信号。信号，或两者同时作为输入信号。 霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型和霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型和开关量输出型两种。开关量输出型两种。 1) 1)线性输出将霍尔元件和放大电路做成一线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与经过的磁场强度体。输出电压与经过的磁场强度B B成线性比例关成线性比例关系。用于磁场检测等场所。系。用于磁场检测等场所。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院8 8磁敏传感器磁敏传感器单端输出传感器的电路构造框图单端输出传感器的电路构造框图2 23 3输出输出+ +稳压稳压

8、VCCVCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H稳压稳压H H3 3VCCVCC地地4 4输出输出输出输出1 18 86 67 75 5 双端输出传感器的电路构造框图双端输出传感器的电路构造框图 单端输出：传感器单端输出：传感器输出电压对外加磁场输出电压对外加磁场的微小变化能做出线的微小变化能做出线性呼应，通常将输出性呼应，通常将输出电压用电容交连到外电压用电容交连到外接放大器，将输出电接放大器，将输出电压放大到较高的电平。压放大到较高的电平。 双端输出：传感器双端输出：传感器是一个是一个8 8脚双列直插脚双列直插封装的器件，可提供封装的器件，可提供差动输出。差动输出。 传感器与测试技术传

9、感器与测试技术机电工程学院机电工程学院9 9磁敏传感器磁敏传感器丈量磁场的大小和方向丈量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAmAE ES SN NR R霍耳磁敏传感器测磁原理表示图霍耳磁敏传感器测磁原理表示图传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1010磁敏传感器磁敏传感器原理：利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成，能原理：利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成，能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号方感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号方式输出。式输出。特点：霍耳开关集成传感器运用寿命长、无触点磨损、特点：霍耳开关集成传感器运用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、

10、义务频率高、温度无火花干扰、无转换抖动、义务频率高、温度特性好、能顺应恶劣环境。特性好、能顺应恶劣环境。2)2)霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1111磁敏传感器磁敏传感器由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内义务；开路输出可使传感器方便地与各种电压范围内义务；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。逻辑电路接口。 霍耳开关集成传感器的构造及义务原理霍耳开关集成传感器的构造及义务

11、原理霍耳开关集成传感器内部构造框图霍耳开关集成传感器内部构造框图2 23 3输出输出+ +稳压稳压VCCVCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大BTBT整形整形地地H H传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1212磁敏传感器磁敏传感器霍耳开关集成传感器的义务特性曲线霍耳开关集成传感器的义务特性曲线 从义务特性曲线上可以看出，义务特性有一定的磁从义务特性曲线上可以看出，义务特性有一定的磁滞滞BHBH，图中的，图中的BOPBOP为义务点为义务点“开的磁感应强度，开的磁感应强度，BRPBRP为为释放点释放点“关的磁感应强度。关的磁感应强度。VOUT(V)VOUT(V)1212ONON

12、OFFOFFBRPBRPBOPBOPBHBHB B0 0外加磁场与传感器输出外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁电平的关系。当外加磁感强度高于感强度高于BOPBOP时，输时，输出电平由高变低，传感出电平由高变低，传感器处于开外形。当外加器处于开外形。当外加磁感强度低于磁感强度低于BRPBRP时，时，输出电平由低变高，传输出电平由低变高，传感器处于关外形。感器处于关外形。 传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1313磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1414磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学

13、院1515磁敏传感器磁敏传感器霍耳传感器的仪器优点：霍耳传感器的仪器优点： (1) (1)体积小，构造简单、寿命长。体积小，构造简单、寿命长。 (2) (2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。 (3) (3)安装性能稳定，可靠性高。安装性能稳定，可靠性高。 (4) (4)频率范围宽，从直流到微波范围均可运用。频率范围宽，从直流到微波范围均可运用。 (5) (5)霍耳器件载流子惯性小，安装动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，安装动态特性好。缺陷：缺陷： 转换效率低，受温度影响大。随着新资料新工艺转换效率低，受温度影响大。随着新资料新工艺不断出现，这些缺陷正

14、逐渐得到抑制。不断出现，这些缺陷正逐渐得到抑制。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1616磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1717磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1818磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院1919磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2020磁敏传感器磁敏传感器传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2121磁敏传感器磁敏传感器二、磁敏电阻二、磁敏电阻 电阻随磁场变化而改动的

15、敏感元件，也称电阻随磁场变化而改动的敏感元件，也称MRMR元件，它的实践根底为磁阻效应。元件，它的实践根底为磁阻效应。磁阻效应磁阻效应 给通电的金属或半导体资料薄片加上与电给通电的金属或半导体资料薄片加上与电流垂直或平行的外磁场，那么其电阻值会变化。流垂直或平行的外磁场，那么其电阻值会变化。称此种景象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻称此种景象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。效应。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2222磁敏传感器磁敏传感器 在磁场中，电流的流动途径会因磁场的作用而加长，在磁场中，电流的流动途径会因磁场的作用而加长，使得资料的电阻率添加。假设某种金属或半

16、导体资料使得资料的电阻率添加。假设某种金属或半导体资料的两种载流子的两种载流子( (电子和空穴电子和空穴) )的迁移率非常悬殊，主要的迁移率非常悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化，它可表由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化，它可表示为：示为：22000273. 0B为磁感应强度；为磁感应强度；资料在磁感应强度为时的电阻率；资料在磁感应强度为时的电阻率；0 0 资料在磁感应强度为资料在磁感应强度为0 0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2323磁敏传感器磁敏传感器没有栅格时，电流只在电极附近偏转，电阻添

17、加很小。没有栅格时，电流只在电极附近偏转，电阻添加很小。 在在LWLW长方形磁阻资料上面制造许多平行等间距的金属长方形磁阻资料上面制造许多平行等间距的金属条条( (即短路栅格即短路栅格) )，相当于许多扁条状磁阻串联。栅格磁，相当于许多扁条状磁阻串联。栅格磁阻器件既添加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵阻器件既添加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。敏度。LWBBII a b传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2424磁敏传感器磁敏传感器 三、磁敏二极管和磁敏三极管三、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁敏磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁

18、敏电阻之后开展起来的磁电转换元件。电阻之后开展起来的磁电转换元件。优点：磁灵敏度高，磁灵敏度比霍耳元件高数优点：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、百甚至数千倍；能识别磁场的极性；体积小、电路简单，运用广泛；在检测、控制等方面普电路简单，运用广泛；在检测、控制等方面普遍运用。遍运用。 传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2525磁敏传感器磁敏传感器磁敏二极管的构造与义务原理磁敏二极管的构造与义务原理 与普通二极管区别：普通二极管与普通二极管区别：普通二极管PNPN结的长度很短，防结的长度很短，防止载流子在基区里复合，磁敏二级管的止载流子

19、在基区里复合，磁敏二级管的PNPN结很长，大于结很长，大于载流子的分散长度，由接近本征半导体的高阻资料构成载流子的分散长度，由接近本征半导体的高阻资料构成的。普通锗磁敏二级管用的。普通锗磁敏二级管用=40=40cmcm左右的左右的P P型或型或N N型单型单晶晶( (锗本征半导体的锗本征半导体的=50=50cm)cm)，在它的两端有，在它的两端有P P型和型和N N型锗，假设型锗，假设r r表示本征，那么其表示本征，那么其PNPN结实际上是由结实际上是由PrPr结和结和NrNr结共同组成。结共同组成。以以2ACM1A2ACM1A为例，磁敏二级管的构造是为例，磁敏二级管的构造是P+iN+P+iN

20、+型。型。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2626磁敏传感器磁敏传感器+ +b b磁敏二极管的构造和电路符号磁敏二极管的构造和电路符号(a)(a)构造构造; (b); (b)电路符号电路符号H+H+H-H-N+N+区区p+p+区区i i区区r r区区电流电流a a 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型两个区域，并在本征区型两个区域，并在本征区(i)(i)区的一个侧面上，设置高复合区的一个侧面上，设置高复合区区(r(r区区) )，而与，而与r r区相对的另一侧面，坚持为光滑无复合外区相对的另一侧面，坚持

21、为光滑无复合外表，构成磁敏二极管的管芯。表，构成磁敏二极管的管芯。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2727磁敏传感器磁敏传感器流过二极管的电流也在变化，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也就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。磁场的不同而不同。 磁敏二极管的义务原理磁敏二极管的义务原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负极，即外加正区接电源负极，即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，P PN NH H电流电流b bi iP PN NH H电流电流c ci iP

22、 PN NH=0H=0电流电流a ai i电子电子空穴空穴复合区复合区传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2828磁敏传感器磁敏传感器磁电特性：在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变磁电特性：在给定条件下，磁敏二极管的输出电压变化量与外加磁场变化的关系化量与外加磁场变化的关系 磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线a a单个运用时单个运用时b b互补运用时互补运用时B / B / 0.1T0.1T1 .1 .0 02 .2 .0 03 .3 .0 0-1.0-1.0-2.0-2.00 .0 .4 40 .0 .8 81 .1 .2 21 .1 .6 62 .2 .0

23、 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6- -2.02.0B / B / 0.1T0.1T2 .2 .0 0- -1.01.0- -2.02.00 .0 .4 40 .0 .8 81 .1 .2 21 .1 .6 62 .2 .0 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6- -2.02.01 .1 .0 0 3k3kR RE EE = 1 2 VE = 1 2 V18V18VTd=20Td=20a ab bU/VU/VU/VU/V 以以下图给出磁敏二极管单个运用和互补运用时的磁电特性曲以以下图给出磁敏二极管单个运用和互补运用时的磁电特性曲线

24、。线。传感器与测试技术传感器与测试技术机电工程学院机电工程学院2929磁敏传感器磁敏传感器磁敏三极管的构造与原理磁敏三极管的构造与原理磁敏三极管的构造：磁敏三极管的构造：NPNNPN型磁敏三极管是在弱型磁敏三极管是在弱P P型近本征半导体上，用合金法或分散法构成三个型近本征半导体上，用合金法或分散法构成三个结结即发射结、基极结、集电结所构成的半导即发射结、基极结、集电结所构成的半导体元件。在长基体元件。在长基NPNNPN型磁敏三极管的构造和符号型磁敏三极管的构造和符号a)a)构造构造 b) b)符号符号r rN+N+N+N+c ce eH-H-H+H+P+P+b bc ce eb b区的侧面制成一个区的侧面制成一个复合速率很高的高复合速率很高的高复合区复合区r r。长基区分。长基区分为输运基区和复合为输运基区和复合基区两部