传感器原理与应用-(第二版)-黄贤武-郑筱霞主编课件

第八章磁电式传感器磁电传感器磁场电能测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴随磁场改变其运动方向结构结型体型霍尔传感器磁敏电阻——磁敏二极管磁敏晶体管——1第八章磁电式传感器磁电传感器磁场电能测量原理：半导体材料中霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。

1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。直到上世纪50年代，随着半导体技术的发展,才开发了各种霍尔元件。霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。2霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器§8-1霍尔传感器一、霍尔效应——霍尔元件灵敏度——霍尔电势1、定义霍尔：1879年半导体3§8-1霍尔传感器一、霍尔效应——霍尔元件灵敏度——442、霍尔电势的产生N型半导体：洛仑兹力电场力动态平衡P型：令霍尔系数电流半导体52、霍尔电势的产生N型半导体：洛仑兹力电场力动态平衡P型：令或或半导体绝缘体金属材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏度低、温度特性及线性度好灵敏度最高、受温度影响大6或或半导体绝缘体金属材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟灵敏输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件二、霍尔元件及主要技术参数图形符号HBABCDCDA7输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作（1）额定功耗P0P0——霍尔元件在环境温度T=25℃时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。P0＝I*E主要技术参数（2）输入电阻Ri、输出电阻R0Ri——控制电流电极间的电阻R0——输出霍尔电势电极间的电阻B=0欧姆表8（1）额定功耗P0P0——霍尔元件在环境温度T=25℃时，（4）霍尔电势的温度系数一定的B和I，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率。必须进行补偿。单位：1/℃（3）不平衡电势U0不等位电势、零位电势——IH、B=0、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在同一等位面上材料不均匀、工艺不良9（4）霍尔电势的温度系数一定的B和I，温度每变化1℃时，霍（5）内阻温度系数B=0，工作温度范围内：温度每变化1℃时，输入电阻Ri与输出电阻R0变化的百分率。（6）灵敏度KH一定的B和I

：输出极开路时元件的灵敏度。10（5）内阻温度系数B=0，工作温度范围内：（6）灵敏度KH一三、霍尔元件连接方式和输出电路1、基本测量电路11三、霍尔元件连接方式和输出电路1、基本测量电路112、霍尔元件连接方式控制电流端并联输出电势为：2倍控制电流端串联次级绕阻叠加输出E++++++++++----------直流供电方式：~交流供电方式：122、霍尔元件连接方式控制电流端并联控制电流端3、霍尔电势的输出电路四端器件输出电势：mV量级线性应用：比例放大器线性度好、低噪声放大器开关应用：射极跟随器灵敏度高：一般放大器133、霍尔电势的输出电路四端器件线性应用：比例放大器线性度好、四、霍尔元件的测量误差和补偿方法1、零位误差及补偿方法半导体固有特性半导体制造工艺缺陷零位误差温度误差A、B同一等位面：U0=0、电桥平衡A、B非同一等位面：U0=0、电桥不平衡电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻14四、霍尔元件的测量误差和补偿方法1、零位误差及补偿方法半导体（a）（b）（c）15（a）（b）（c）152、温度误差及补偿电阻率、迁移率、载流子浓度：T霍尔元件内阻、霍尔电势：T五、霍尔开关集成传感器霍尔效应集成电路技术开关信号磁敏传感器162、温度误差及补偿电阻率、迁移率、载流子浓度：T霍尔元件内阻1、结构及工作原理稳压材料：硅工艺：硅平面工艺工作原理：有磁场：VH，放大，整形：>开启阈值，高电平VT导通，具有吸收电流的负载能力磁场减弱：VH减小，放大，整形：<关闭阈值，翻转，低电平，VT截止开状态关状态171、结构及工作原理稳压材料：硅工作原理：有磁场：VH，放大，2、工作特性121086420——工作点“开”——释放点“关”——磁滞高低，开状态低高，关状态182、工作特性12——工作点“开”——释放点“关”——六、霍尔线性集成传感器1、结构及工作原理输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系构成：霍尔元件、放大器、稳压、电流放大输出级、失调调整、线性度调整稳压单端输出：SL3501T双端输出：SL3501M稳压19六、霍尔线性集成传感器1、结构及工作原理输出电压与外加磁场强七、霍尔传感器的应用1、霍尔位移传感器磁数场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：1~2mm为一常数20七、霍尔传感器的应用1、霍尔位移传感器磁数场梯度越大，灵敏度霍尔传感器的应用21霍尔传感器的应用212、磁感应强度测量仪ASL3501M：霍尔线性集成传感器RP1：调整表头量程RP2：调零C1：低通滤波测量上限：0.3T222、磁感应强度测量仪ASL3501M：RP1：调整表头量程霍尔特斯拉计（高斯计）

霍尔元件23霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件233、直流功率测量仪V243、直流功率测量仪V244、霍尔式接近开关－转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧254、霍尔式接近开关－转速测量永磁体安装在轴端永磁体安装在轴侧霍尔转速表SN线性霍尔磁铁26霍尔转速表SN线性霍尔磁铁2627275、测量电流测量大直流电流（10kA）：电阻器分流霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场（1）导线旁测法（2）导线贯穿磁芯法简单、测量精度差、受外界干扰大环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度285、测量电流测量大直流电流（10kA）：电阻器分流霍尔元件测霍尔电流传感器演示铁心

线性霍尔IC

UH=KHIB

II29霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔ICUH=KHIBII压舌豁口将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中30压舌豁口将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中306、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质非磁性涂层0123500400300200100316、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质非磁性涂层07、自动凭票供水装置控制电路327、自动凭票供水装置控制电路32333334343535363637373838§8-2磁敏电阻器一、磁阻效应——载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电——磁感应强度为B时的电阻率——零磁场下的电阻率——电子迁移率——磁感应强度式中，电阻率变化电阻率相对变化磁敏电阻：InSb、InAs39§8-2磁敏电阻器一、磁阻效应——载流导体置于磁场中，二、磁敏电阻的原理及特性1、原理40二、磁敏电阻的原理及特性1、原理40科尔比诺圆盘——形状效应系数——电阻长度——电阻宽度01234567891020

151051l/b=3l/b=1l/b=1/32、结构41科尔比诺圆盘——形状效应系数——电阻长度——电阻宽度0-5-3-10135700

600500400300200100020406080150100503、特性42-5-3§8-3磁敏二极管和磁敏三极管一、磁敏二极管1、结构PN结型的磁电转换元件I区：高阻本征区P、N：重掺杂区P-I-N结I区两侧处理：光滑：I面打毛：复合面（r面）43§8-3磁敏二极管和磁敏三极管一、磁敏二极管1、结构PN2、工作原理磁场H=0：少量电子和空穴在I区、r区复合正向磁场H+：电子和空穴偏向r区，电流因复合增大而减小反向磁场H-：电子和空穴偏向I区，电流因复合减少而增大442、工作原理磁场H=0：正向磁场H+：反向磁场H-3、主要技术特性及参数（1）灵敏度外加磁感应强度B为0.1T时，输出端电压增量与电流增量的比值。（2）电压输出特性-0.10.10.20.30.42.01.51.00.50-0.5-1.0（3）温度特性-40-2002040601.51.00.5453、主要技术特性及参数（1）灵敏度外加磁感应强度B为04、特点（1）灵敏度高：测量弱磁场（2）具有正反磁灵敏度（3）线性范围较窄13579根据某一电压下的电流值可确定磁场的大小和方向。（4）伏安特性464、特点（1）灵敏度高：测量弱磁场15、应用例：漏磁探伤仪显示仪表激励线圈放大器铁芯钢棒磁敏二极管探头显示仪表激励线圈放大器铁芯钢棒裂纹磁敏二极管探头钢棒：转动、磁化无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号475、应用例：漏磁探伤仪显示激励线圈放大器铁芯钢