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感测技术 第七章 磁电传感器 第七章 磁电传感器 第一节 霍尔传感器 霍尔在1879年首先在金属材料中发现了霍尔效应 某些半导体材料的霍尔效应十分显著霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势方向的端面之间建立起霍尔电势c cd da ab b 一、霍尔效应 如图所示，在在半半导导体体薄薄片片上上垂垂直直施施加加磁磁场场B，在在薄薄片片两两短短边边b方方向向通通入入控控制制电电流流I，则则在在薄薄片片两两长长边边L方方向向产产生生电电动动势势，这这种种现现象象称称之之为为霍霍尔尔效效应应，该该电电动动势势称称为为霍霍尔尔电电压压UH，该半导体薄片称为霍尔元件。霍尔效应原理图v：半导体中电子在控制电流I作用下的运动方向和速度FL ：电子受到磁场：电子受到磁场的洛伦兹力的洛伦兹力，其大小为FE：霍尔电场的电场力式中 RH 霍尔常数（m3/c）霍尔元件形状系数 d 霍尔元件厚度（m）L 霍尔元件长度（m）b 霍尔元件宽度（m）I 控制电流（A）B 磁感应强度（特斯拉T，即Wb/m2）霍尔电压UH 的大小为霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后，霍尔元件的输出电压输出电压UH 正比于控制电流正比于控制电流I 和磁感应强度和磁感应强度B。令 ，称之为霍尔元件灵敏度，则改写为霍尔元件d越小，即霍尔元件约薄，灵敏度越高 1UHI 特性 当KH 和B为定值时，在一定的温度下，霍尔电压UH 与控制电流I 有较好的线性关系霍尔元件可直接用于测量电流或激励源电压可直接用于测量电流或激励源电压 2UHB 特性 当KH 和I 为定值时，霍尔电压UH 与磁场B 具有单值关系，在磁不饱和时（一般B小于T）UB 与B 具有线性关系。利用这一特性，霍尔元件可可用用于于测测量量交交、直直流流磁磁感感应应强强度度或或磁场强度磁场强度；二、霍尔元件的基本特性霍尔式钳形电流表霍尔式钳形电流表1 1冷轧硅钢片圆环冷轧硅钢片圆环2 2被测电流导线被测电流导线3 3霍尔元件霍尔元件 4 4霍尔元件引脚霍尔元件引脚利用钢环将磁场集中到霍尔元件上式中：I是霍尔元件的控制电流，K=KHKII是电流表的灵敏度。3UHIB 特性 利用UH 与IB 的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器，当控制电流I 和磁场B 为同一电源激励时，可利用霍尔可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量元件进行电源输出功率的测量。4开关特性 霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（10121014 S），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计可用于制作计数器或转速计。5集成特性 霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作成集成霍尔传感器集成霍尔传感器。霍尔式功率变换器原理被测电压为Ub，电流为Ib，两者相位差为。同时，由Ub通过R产生霍尔元件的控制电流I。即：电流Ib产生的磁场为：式中：K=KHKUKB，Ub、Ib为有效值利用滤波器滤去二倍频交流分量，则最终的输出为滤波器的输出与有用功率成正比。三、测量电路 霍尔元件基本测量电路如图74所示。霍尔电压UH 一般为毫伏数量级，因而实际应用时霍尔效应输出电压UH 要接差动放大器；根据霍尔元件工作条件不同，霍尔电压可以是线性量或开关量，因而其测量电路可能是线性型或开关型。（a）线性型 （b）开关型 霍尔元件测量电路 四、误差及其补偿 1零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压UH，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下三个因素。（1）直流寄生电势 霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点两引线电极焊点大小不等、热容量不同,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。（2）寄生感应电势 当控制电流I 为交变电流时,此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势,要求各电极引线尽可能短,且布线合理以减少磁交链。（3）不等位电势 霍尔元件控制电流I 和霍尔电压UH 的四电极分布不对四电极分布不对称而引起的寄生不等位电势称而引起的寄生不等位电势 霍尔元件不等位电势原理图 a）不对称电极 （b）电极等效电桥 不等位电势是产生零位误差的主要原因，其大小通常具有霍尔电压UH 相同的数量级必须采取电路补偿的方法以消除不等位电势（a）是电阻值较大的桥臂上并联电阻（b）是在两相邻桥臂上并联电阻不等位电势补偿电路高斯计原理图 电流计原理图 2电流计（电压计）测I或U 六、霍尔传感器的应用 1高斯计 测B直放式（开环）电流传感器 磁平衡式（闭环）电流传感器 霍尔电压（闭环）传感器 钳形电流表电流传感器转速计原理图 3转速计霍尔元件上获得周期变化的磁脉冲，因而产生相应的霍尔脉冲电压，此脉冲电压单位时间内的个数，正比于转轴的旋转速度，从而实现转速的检测；转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率越高 几种霍尔式转速传感器的结构霍尔转速表霍尔转速表原理霍尔转速表原理霍尔接近开关 某霍尔式压力计中，弹簧最大位移为mm 控制电流I=10mA，要求传感器输出电动势为20mV选用霍尔元件灵敏度系数KH=mV/(mAT)求所要求线性磁场在弹簧伸缩方向的梯度为多大 UH=KH BIB=UH/(KH IX时要求磁场强度变化BT因此磁场梯度为B/XTmmT/mm 第二节 磁敏电阻 一、磁阻效应某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且其电阻值也随磁场变化其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应，这种现象称之为磁阻效应。引起电阻变化的原因有二，其一是材料的电阻率随磁场增电阻率随磁场增加而增加，称为磁阻率效应加而增加，称为磁阻率效应；其二是在磁场作用下，通过在磁场作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，因而电极间电阻值增加，这种磁敏电阻电流的路径变长，因而电极间电阻值增加，这种现象称为几何磁阻效应现象称为几何磁阻效应。目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应。几何磁阻效应示意图（a）L/W1 （b）L/W1 （c）柯比诺元件半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关由于柯比诺元件为盘形元件，其两电极为圆盘中心和圆周边，电流在两电极间流动时，受磁场影响而呈涡旋形流动，霍尔电场无法建立，因而柯比诺元件可以获得最大磁阻效应，但其电阻值太小实用价值不大。将长方形磁阻元件的L/W比值减小，磁阻效应RB/R0也相应增大，但零磁场下的电阻值R0也要变小。几何形状与磁阻变化特性 为了获得较大的磁阻效应而又有足够大的R0，实际上采用L/W1的多个元件串联平面电极磁敏电阻 平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟（InSb）半导体薄片上，用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格,这相当于多个L/W1的长方形InSb薄片磁阻元件串联,既增加了零磁场电阻R0,又可以获得较高的磁阻效应。磁阻特性曲线 二、磁敏电阻的基本特性 1磁阻灵敏度 通常把磁敏电阻的比值RB/R0称为磁敏电阻的灵敏度，其中R0为无磁场时磁阻元件的阻值，RB是磁感应强度为B 时磁阻元件的阻值。2磁阻特性由特性曲线可知，磁阻元件对正、负磁场的作用具备相同的灵敏度 无偏置磁场检测磁场不能判别磁性外加偏置磁场时相当在检测磁场外加了偏置磁场工作点移到线性区磁极性也作为电阻值变化表现 3磁阻温度系数 磁阻温度系数是指温度每变化1，磁敏电阻的相对变化量。磁阻元件一般都是用半导体InSb制作，其磁阻受温度影响较大。两磁阻元件串联 为了改善磁阻温度特性，方法之一：掺杂，将导致磁阻灵敏度下降方法之二：采用组成差动式输出，这种方法不但具有温度补偿功能，且使灵敏度得到提高 三、磁敏电阻的应用利用磁敏电阻的磁阻特性，可以应用于无触点电位差计、直线位移传感器、转速计、非接触电流监视电路等方面。磁敏电阻测直线位移初态时磁铁置于磁敏电阻中间位置此时输出电压为UO 位移时，磁铁沿平面方向X直线左右平移，此时输出电压UO的变化量UO与直线位移量成正比可以检测微位移或与微位移有关的其它非电量 第三节 磁敏二极管 磁敏二极管和磁敏三极管 具有很高的磁灵敏度（比霍尔元件高数百至数千倍）可以在较弱磁场下工作 一、磁敏二极管 1基本结构 磁敏二极管是一种PIN型磁敏元件，由硅或锗材料制成i 区为本征或接近本征半导体，亦称本征区本征区的两端用合金法制成高掺杂的P+区和N区在本征区的一侧采用制成载流子复合速度很高的r区，亦称高复合区；在高复合区相对的另一侧L保持光滑的无复合表面，光滑面（a）基本结构 （b）电路符号 磁敏二极管结构和电路符号 2工作原理 磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二磁敏二极管工作时需加正向偏压极管工作时需加正向偏压，即P+区接正、N区接负；此时磁敏二极管电阻大小决定于磁场的大小和方向。当磁敏二极管反向偏置时，将呈现高阻状态，与磁场的作用无关。正向磁场无磁场反向磁场 磁敏二极管伏安特性 3主要特性 （1）伏安特性 在给定的磁场下，磁敏二极管正向偏压与偏流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。在正向偏压一定时，正向磁场越大、磁阻越大、偏流越小；反向磁扬越大、磁阻越小、偏流越大。在一定的偏压范围内，伏安特性有近似的线性关系。（2）磁电特性 磁电特性是指磁敏二极管输出电压变化量与外加磁场的关系单只磁敏二极管正向磁场下输出电压的灵敏度大于反向磁场下的灵敏度，且在B0.1T 期间具有较好的线性关系磁敏二极管对弱磁场具有较好的磁电特性和较高的磁灵敏度。若要获得更大的线性工作范围，可采用两管互补使用。磁敏二极管磁电特性 4温度特性及补偿 由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成，因而温度对磁敏二极管性能参数的影响较大，在使用磁敏二极管时，必须采取相应的温度补偿措施，常用的补偿电路如图 磁敏二极管温度补偿电路 当磁敏二极管单单管管使使用用时，可采用与磁敏二极管温度特性相同的热敏电阻串联电路补偿。如图726（a）所示，此时温度引起热敏电阻Rt和磁敏二极管D的电压增量相同，串联分压结果输出电压Uo中无温漂。当采用两两只只磁磁敏敏二二极极管管工工作作时，可选择两只磁电特性相同的磁敏二极管接成差动半桥的方式补偿。如图726（b）所示，此时两磁敏二极管的磁敏感面应相对或背向放置，即两管感受相反极性的磁场作用，根据差动桥的加减特性，不但可以实现温度自补偿，而且可以提高输出电压的灵敏度。图726（c）是差差动动全全桥桥补补偿偿电电路路，四只磁敏二极管具有相同的磁电特性，按照相邻桥臂磁极性相反的原则接入四个桥臂上，此时不但具有温度自补偿，而且电桥输出电压的灵敏度更高。思考与练习题 1霍尔效应及霍尔电压？2霍尔元件的基本特性？3霍尔传感器测量电路？4霍尔元件不等位电势及其补偿？5霍尔传感器的应用举例。6磁敏电阻的几何磁阻效应？7磁敏二极管的基本结构及其工作原理？8磁敏三极管的基本结构及其工作原理？资料整理仅供参考,用药方面谨遵医嘱