西北大传感器原理与应用讲义第4章 磁敏传感器

l-7～10T应-3～1T-6～10T-6～10T管-3~-2T应10-10~-4T-4T-3~应10-14~-8T垂直磁场方向上有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方lFLvdUHbIBlFLvdUHbIB三、数量描述：大量实验测得：霍尔电场EH=RHIB（1）RH为霍尔系数同时，电场EH力为：FE=_eEH=_eUH当电子积累达动态平衡时，vB=UH/b（2）而j=_nev，I=jbd=_nevbd（3）将（3）式中的速度v代入（2）式得：RHKHIB（4）式中霍尔系数RH，由掺杂浓度决定；如果是P型半导体，RHKH称为灵敏度系数，表示在单位B单位I的霍尔电势的大小。KH=RH/d（单位为如磁场与薄片法线有一定夹角α,那么霍尔电势的值会减小，UH=KHIBcosα对加以修正，UH=KHIBf(l/b)ff(l/b)0.501.02.03.04.0l/bb/l=4b/l=2b/l=1xb/l=4b/l=2b/l=1x/l2000UH(x)/mV当控制电极的接触面积与其所在侧面的面积(bd)相比较UH(x)/mV当材料和几何尺寸确定后，KH大的元件，其UH并不一定比KH小的元件大，因UH的大小正比于控制电流I和磁感应强度B；KH低的元件可在较大I下工作得到较大的UH。dbdbdcaacbcdbccccd负载RRE2.输出电阻Rout在室温、零磁场、无负载情况下，输出电极间的电阻。T室温一般锗元件Tj小于80℃,硅元件Tj小于175℃,砷化镓Tj小于250℃)4.乘积灵敏度KH5.磁灵敏度SB指在额定控制电流IC和单位磁感应强度B的作用下输出端开路时的cUMdUMER1.霍尔输出电势UH与控制电流I的特性若磁场恒定、一定温度下，I与UH间呈线性关系，如图。N型锗N型锗(HZ-123)型N型锗(HZ-4)型UH/mV6040200说明KI=UH/I恒定，可得KI=KHB。但KH大的元件，其UH并不一定比KH下工作得到较大的UH。由于建立UH所需时间极短（约10-12～10-14s）,因此交流电频率可高达几千兆赫，且信2.UH与直流控制电压U间的关系特性若给元件两端加上一个电压源U，元件上流过的电流为：I霍尔输出电压为：UH=KHI3.霍尔UH与磁场（恒定或交变）B间的关系特性1.04Ge(HZ-4)Ge(HZ-123）1.04Ge(HZ-4)Ge(HZ-123）B/(Wb/m2)4.元件的输入或输出电阻R与B之间的关系特性HZ-123HZ-4HZ-123HZ-4B/(Wb/m2)0bdacac由于元件的两对电极与半导体片不是完全欧姆接触而形成整流效应、霍尔电极的焊点大小磁场面积磁场面积感应面积高时必须进行温度补偿。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还UHIUHIUHUHUHUHRTUHUH能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。具有使用寿命长、无触点磨态。当磁场减弱时，UH较小放大后<“关闭”霍尔元件放大霍尔元件放大整形输出+T稳压2R1R5R3T3T4T2RR64VccT7T81D1HR7R9T6R10RRT2132(a)电路图3020T3020TUGN3075开关型霍尔集成传感器是一种双稳态型传感器，又称为锁键型传感超过工作点时其输出为导通状态。而在磁场撤消后输出仍保持不变，必须施加反向BRPBHBOPB(KG)UU0U0B(KG)BHUOUTRR2K输出Uout12+12V3失调调整和线性度调整等电路。因此霍尔线性传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速3-3-+2地H1H67TT2R1HT1R2R5T3T4T5T6R7R6T5D1R2R3R8R4R5T3T1R6R4T6R7输出输出VccT4非线性可能与如引线和霍尔元件的接触等工艺、放大电路的线性程度等等有关。实际应用输出电压Vout(V)输出电压Vout(V)输出电压V(V)OUTOUTR=0ΩR=15ΩR=100Ω0.040.080.160.200.240.280.322.52.00.50磁感应强度B(T)既可测量磁物理量及电学量，还可转换测量其它非电量，有高斯计、大电流计、功率NNSIX0BX(a)传感器磁路结构示意图(b)磁场变化的变化为：RH.IKUH=KX工作原理：将永磁体按适当的方式固定在被测轴上，如图，霍尔元件置于磁铁的气隙中，轴转动时霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息，将霍尔元件输出电压经后续电路霍尔元件NωH霍尔元件NωHSUHH霍尔元件0VH/mV比于外加电压U，表示为：B=k1U(k1为与器件材料、结构有关的常数)。优点：输出和输入间相互隔离，稳定性好，件RLRUB霍尔元UHI>料内部的磁力线均匀分布；当有缺陷存在时，由于缺NSSNNSSN磁铁钢球磁铁钢球晶闸管和逻辑电路相耦合。用途非常广泛，转速和里程的测定、点火系统、按钮开关、电Ucc UccUUcc UccUccUcc1J\ D D霍尔开关集成电路J D D霍尔开关集成电路JUcc1Ucc1UccUcc1RLUccMOSUUccUDDMOSUUccUDDN绝缘板霍尔开关传感器SL3051SC1R4R1R3SL3051SC1R4R1R3R5RL470ΩT计数器T截止输出高电平，即每过一个钢球会产生一个负脉冲，计数器便计一个数，并可加显示感应出高电压供火花塞点火。易造成开关的触点产生磨损、氧化，使发动机性能变坏，也NSNSNSSNNSNSNNSSESL3020NSNSNSSNNSNSNNSSESL3020塞磁轮鼓优点：如由于无触点，使用寿命长；由于点火能量大，100μA20ΩR247ΩS±S±C1000pRP247ΩSL3501MA1当半导体片受到与电流方向垂直的磁场时，出现电流密度下降和 当有电流的霍尔片在与其垂直的磁场中产生了霍尔电场且qEH=qvB(v为平均速 --VxeEHBz+-B+VxpH32++运动方向变化的直接结果是沿着x方向(未加但合电场会使其加速，因微观散射使电子速度加速到一定值后又减小，再加速后再减则磁阻比为：H2BZ2→→→如图。当BZ=0，J=Jn+Jp；当磁场BZ时，电子和空穴沿y方向电流均不为零，由统计规→和→和Jp律知Jn→JpnJnEynJnJ---当半导体片长度减小，不受影响的区域变小，EH受短路作用更为显著，几何磁阻效应+-+-2020500.20.40.60.81.0IIIB(T)RBR0+++++--+++++--（1）.在弱磁场时，磁阻比RB/R0为：-4-60-22G0.5l/b0gblbldd2x将R，则：RB=RBρ0（1）弱磁场时磁阻平方系数msn、磁阻平方灵敏度Ssn：Ssn=R0n.msn结构如图，中心部分有一个圆形电极，盘的外沿是一个环形电极，两个电极间构成一在电流的横向，电阻是无头无尾的，霍尔电压无法建立，或者说霍尔电场被全部短路R=Rsln(r2/r1)（4-+B+NiSbNiSb针状晶体DLN50DLN50RB/R0RB/R0InSb磁阻元件是一种受温度影响极大的材料。由图可知，材料的磁场灵敏度越高，受温度的影响也越大，因此，必须根据用途进行有效的温度补偿，实际使用时采用两个磁敏RB/RRB/R0（25℃)r2恒定电压源MM输出r1r1-20020406080100120T(℃)NLDB=01UoutAC电流UoutMS-F06RP1RP1R5-At 2+R1MR1+9V\R4510kΩ kΩA1+9V780054.3kΩMS-F06C+MR2-+9VR3R221电压，可获得与转速随时间变化趋势相同的信号。在运放的输出端接入示波器或计数器，就220KΩ220KΩTA754583.3KΩRP5KΩE输出aMRFP17L200E磁铁转子3.3KΩ+-NOSbb磁敏二极管是继霍尔元件和磁阻元件而后发展起来的一种新型半导体磁敏元件，灵敏度很高比霍尔n+区之间有一个较长的本征区I，本征区的长度大于载流子的扩散长度。因此有时又将它称为长基区二r区PPNIl90PPr面NPr面NBZPr面NBZ（abc）图为硅磁敏二极管的伏安特性。其中图（c）表示这一种磁敏二极管的伏安特性曲线上有负阻特性，即电0.2T0.2T0.3T0.4TB=0-0.1T-0.2T76543210U(V)0.1T0.4T-0.1T-0.2TB=00.1T0.2T0.3T76543210U(V)-0.2T-0.1TB=00.1T0.2T0.3TU(V)543210RRE-2.0-1.084-0.4-0.82.0B(T)E=12(V)R=3(KΩ)-1.2(a)单个使用时补偿电路，如图4-3-6（a）所示；②差图4-3-6（c）所示；④热敏电阻温度补线DD1 oUmU2U1E+-B(kGs)(b)互补使用时H=1KGT(℃)DD1D2U1U2DD2UmR1EcDE出电压变化量显然磁敏二极必须对其进行①互补式温度分式温度补偿偿电路，如图二极管温度特性曲4．磁灵敏度磁敏二极管的磁灵敏度有三种定义方法：电SI（4-3-1）SB（4-3-3）(a)结bP结构图图4-3-8硅磁敏三极管二、磁敏三极yyn+rep+bxyp+xceyr1-输运基区p+xc12ye2－复合基区l93磁电特性曲线如3BCM磁敏三极管的温度特性曲线如图系数特性，可采用以下两种方式进行温度（a）所示；②.利用正电流温度系数的锗行补偿，其电路如图4-3-13（b③.采致，磁极相反的磁敏三极管组成的差分电4-3-13（c）所示，这种电路是一种行之B=0B=0基极恒流Ib=2mAB=-1KGB=1KG时必须进行温流具有负温度补偿。①.利用磁敏二极管进用两只特性一有效的温度补ECmARBGECmARBGBGb2uAbb1mRe1R=2.5R0BGR0管mUcc50K52K510KBBBGBGRW1XXT1T2RW2300Km1m2ECARR21VDVD236VRP21K/3WVD32CP22VD336V-1RP11K2KR2K-24控制电路R11VD1KNSSNSN磁敏元件NSSNSN磁敏元件（a）单磁铁（b）双磁铁§4.4铁磁性金属薄膜磁阻元件→→另一种是铁磁材料电阻率的变化与电流密度J和磁场B的相对取向有关，称为磁电阻各向异性效应。作.Sin2θ磁阻效应的大小由下式表示4-4-2） l— ya l— ya0bV0IBI→//.Sin2θ（4-4-3）ρy(θ)铁磁薄膜磁敏电阻通常采用真空蒸发薄膜工铁磁薄膜磁敏电阻通常采用真空蒸发薄膜工设计成迂回状是为了获得较高的电阻值并使器件型外还有四端桥CDCDbadcAB典型的三端型技术性能：全电阻最小值500Ω,最大值5000Ω,典型值1400Ω;§4.5新型磁传感器管电流增加的漏极与一只配对晶体管电流下降的由于这种相互交图4-5-1两和动态负载技术，漏极电流的较小变化就会引起I I VDDVG