传感技术 第六章 磁电式传感器及其应用.ppt

1、,Chapter 6 磁电式传感器及其应用,磁电-sensors,nonelectric,U or R,特征：以磁场为媒介 Nonelectric：位移、振动、加速度、液位、物料面等 特点：结构简单、可靠稳定、寿命长 种类：磁电感应式、 Hallsensor 、磁敏电阻器、 磁敏电阻器、磁敏二极管和三极管等,61磁电感应式传感器,磁电感应式传感器, 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功率大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（101000 Hz）, 所以得到普遍应用。

2、,一、工作原理,法拉第电磁感应：,感生电动势与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,类型,动圈式 动铁式 变磁阻式,、，被称为速度sensor， 微分加速度；积分位移。,二、磁电感应式传感器的设计原则,线圈组件：线圈 骨架 （金属产生磁阻尼，Nonlinear） （非金属无磁阻尼，linear）,磁路系统：一般用永久磁铁材料（体积小）,62 Hallsensors,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件,

3、 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。,I,+ + + + +,- - - - -,一、霍尔效应,霍耳电压,霍耳电压：,霍耳灵敏度,Hall效应的一般表达式：,UHKHIcB KH1/nqd =RH /d, RH 1/nq RH为Hall系数,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度KH与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。,霍尔系数RH等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应明显, 则RH值大, 因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。,一般金属材料载流子

4、迁移率很高, 但电阻率很小; 而绝缘材料电阻率极高, 但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。,UHIcB =IcB RH/d, RH =1/qn=,二、Hall Device,1、器件的结构 1）在Hall片两相互垂直的侧面引出电极 11：控制电流； 22：Hall电压输出极 2）封装：Metal or ceramic coat 环氧树脂,电路符号,2、Hallsensor 参数,输入电阻Ri：电流电极间的电阻 输出电阻Ro：电压电极间的电阻 额定控制电流Ic 额定功耗Po 不平衡电压Uo和不平衡电阻ro 无外磁

5、场时的UH (产生的原因) ，ro UH /I 6）Hall灵敏系数RH,输入电阻和输出电阻,激励电极间的电阻值称为输入电阻Ri。霍尔电极输出电压对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电阻Ro。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定。,2）额定激励电流和最大允许激励电流,当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流Ic。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电压随激励电流增加而线性增加, 所以, 使用中希望选用尽可能大的激励电流, 因而需要知道元件的最大允许激励电流, 改善霍尔元件的散热条件, 以尽量使用大的激励电流。,3）

6、 不平衡电压和不平衡电阻, 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电压应该为零, 但实际不为零。 这时测得的霍尔电势称不平衡电势。 产生这一现象的原因?,不平衡电势也可用不平衡电阻表示,式中: U0不平衡电压; r0不平衡电阻; IH激励电流。 不平衡电压就是激励电流流经不平衡电阻r0所产生的电压。,霍尔元件不平衡电压的补偿,4） 寄生直流电势 在外加磁场为零时, 霍尔元件用交流激励时, 霍尔电极输出除了交流不等位电

7、势外, 还有一直流电势, 称寄生直流电势。 其产生的原因有:, 激励电极与霍尔电极接触不良, 形成非欧姆接触, 造成整流效果; 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不同, 散热状态不同形成极向温差电势。寄生直流电势一般在 1mV以下, 它是影响霍尔片温漂的原因之一。,5）霍尔电压温度系数,在一定磁感应强度和激励电流下, 温度每变化1时, 霍尔电压变化的百分率称霍尔电压温度系数。它同时也是霍尔系数的温度系数。 为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外, 由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电也是个有效措施, 即减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所

8、带来的影响。,3、电磁特性,4、Hallsensor类型,分立 集成,单晶：Si, Ge, GaAs,InSb 薄膜,5、 Hallsensor连接方式和输出电路,1）基本测量电路 UHIc UHB UHIcB,2）连接方式,输出是单个Hall sensor 多少倍？,63 磁敏电阻器 MRsensor,一、 磁阻效应,Ic,通有电流的半导体或金属片置于与电流垂直的外磁场B中，电阻率增大的现象。,二、工作原理和MRsensor 结构,1）工作原理 在恒温条件下，外加磁场使电流方向偏离电场方向，电流流经的路程变长R增加。 B=o1kehB2 KN/P 2）分类 半导体（InSb， InAs）灵敏

9、度高但温度系数大 金属薄膜（坡莫合金）灵敏度差但温度系数小,3、 MR结构,方块形 圆盘型,4、磁敏电阻的基本特征,1）RBB曲线 2）灵敏度 K RB/Ro,64 磁敏二极管和磁敏三极管,一、磁敏二极管 1、结构,平面 结构，利用e、h双注入复合效应负反馈。,2、工作原理,大部分carriers通过I区，形成电流，有稳定的阻值,加正反向磁场，h、e弯向？电流减少，I区R ，U，结区的U注入h、e R结区的U正向电流，负反馈。,加向反磁场，h、e弯向？电流有所增加,I,U,0.2T,0T,-0.2T,用于判断磁场方向,B, U,3、工作特性,1. 磁敏三极管的结构与工作原理,在弱P型或弱N型本

10、征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。,二、 磁敏三极管,(a)结构 ( b)符号,当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区 宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载 流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。因 而形成基极电流 大于集电极电流 的情况，使l。,2、工作原理:,当受到反向磁场(B)作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当正向磁场(B)作用时，在B的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。,由此可知、磁敏三极管在正、

11、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。,与普通晶体管的伏安特性曲线类似。由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,(1) 伏安特性,3. 磁敏三极管的主要特性,(2) 磁电特性,磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产NPN型3BCM(锗)磁敏三极管的磁电特性， 在弱磁场作用 下，曲线接近 一条直线。,(3) 温度特性及其补偿,磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。对于锗磁敏三极管如3ACM、3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8/0C；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6/0C 。因此，实际

12、使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。,对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。,具体补偿电路如图所示。 当温度升高时，V1管集 电极电流IC增加导致 Vm管的集电极电流也增 加，从而补偿了Vm管因 温度升高而导致IC 的下降。,补偿电路,利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性，使其作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。,补偿电路( b),下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路。这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。,补偿电路 ( c),（4）频率特性 3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。,（5）磁灵敏度 磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度h+和负向灵敏度h-两种。其定义如下：,65