传感器课程

第一节霍尔传感器第八章磁电式传感器第二节磁敏传感器一、霍尔效应和霍尔元件的工作原理在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个大小与控制电流I和B乘积成正比的电动势，这种现象称为霍尔效应。1、霍尔效应第一节霍尔传感器2、霍尔元件的工作原理HEHUFeEebBebUeHBeFLBbUHnedIBUHenbddtdQIpedIBUH3、霍尔系数及灵敏度neRH1peRH1N型霍尔系数P型霍尔系数dIBRUHH霍尔系数由半导体材料性质决定，且决定霍尔电势的强弱。霍尔元件灵敏度（KH）：单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所能输出的霍尔电势的大小。设KH=RH/dUH＝KHIB讨论：为什么只能用半导体材料作霍尔元件。霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，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，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。dIBUHen1ep1N型材料电阻率P型材料电阻率霍尔器件符号BHABCDABCDACD二、霍尔元件的主要技术参数1、额定功耗P0:霍尔元件在环境温度T=250C时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2、输入电阻和输出电阻Ri：激励电极间的电阻值。Ro：霍尔元件电极间的电阻。3、不等位电势U0：在额定控制电流I下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势。①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；②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；③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。4、霍尔电势温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数。5、内阻温度系数：霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。6、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。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。因霍尔电势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，可以使激励电流增加。7、寄生直流电势：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不平衡电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。其产生的原因有：①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；②两个霍尔电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。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。常用国产霍尔元件的技术参数三、霍尔元件测量电路和输出电路UHRLBIEIHR1、基本测量电路图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL,RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。2、霍尔电势输出电路（1）开关应用+－+15VH-15VR3R1R2R4霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H（2）线性应用+－+15VH-15VR3R1R2R4Rf集成线性传感器的电路结构框图23输出+－稳压VCC1霍耳元件放大地H四、霍尔元件的测量误差补偿方法1、零位误差及补偿方法零位误差：霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时出现的霍尔电势。主要为不等位电势。ACBIDCr1r3r2r4DAB分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)RPRPRPRPR(a)(b)(c)(d)2、温度误差及补偿方法（a）RH与温度的关系T/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAs0（b）ρ与温度的关系（1）、利用输出回路并联电阻进行补偿在温度影响下，若元件的输出电阻变到，则输出电阻和电势分别变为：0tRtRtR0(1)ttRRt0(1)HtHtUUt式中为温度t时霍尔元件的输出电势和电阻的温度系数。此时上的电压则为：,HtUtRLR00(1)(1)LLtHttLRtUURtR补偿电阻上电压随温度变化最小的极值条件为LR0LtdUdt即0LtRR因此当知道霍尔元件时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻的值。,0,tRLR基本电路等效电路（2）、利用输入回路串联电阻进行补偿实际补偿电路当温度增加时，霍尔电势的增加值为：0HHtUUt且元件的输入电阻随温度的增加值为：0iitRRt用稳压源供电时，控制电流的减小量为：000(1)tititIRtIRRt它使霍尔电势的减小量为：'000(1)(1)itHHitRttUURRt要想得到全补偿，应有则',HHUU0()(1)itRtR由此可知，只要给出霍尔元件的值，即可求得,0,itRR的关系。第二节磁敏传感器一、磁敏电阻器磁阻效应:若给通以电流的金属或半导体材料的薄片加以与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。称此种现象为磁致电阻变化效应，简称为磁阻效应。22000273.0BBＢ——为磁感应强度；ρB——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率；ρ0——材料在磁感应强度为0时的电阻率；μ——载流子的迁移率。220273.01BB二、磁敏二极管1、结构PNIr区+-简写为SMD。磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的一面磨成光滑的复合表面（为I区），另一面打毛，设置成高复合区（为r区），其目的是因为电子-空穴对易于在粗糙表面复合而消失。当通以正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。磁敏二极管是PIN型。IPN2、工作原理H=0←←←→→→电子空穴复合区（1）当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有大量的电子注入P区。形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合。（2）当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时电子、空穴受到洛仑兹力作用而向r区偏移，由于r区的电子、空穴复合率比光滑面I区快，因此形成的电流因复合速度而减小。H+IPN（3）当磁敏二极管受到外界磁场H-作用时电子、空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子、空穴复合率明显变小，则电流变大。H-IPN结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管的灵敏度就越高。磁敏二极管反向偏置时，则在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。三、磁敏三极管1、结构bcerN+N+ceH-H+P+bi（1）当不受磁场作用时2、工作原理N+cyerxP+bN+运输基区复合基区由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过e—i—b而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。所以，电流放大系数=Ic／Ib＜1。（2）当受到H＋磁场作用如图，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。N+cyerxP+bN+（3）当受磁场使用如图，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。HN+cyerxP+bN+由此可知，磁敏三极管在正、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。