传感器原理与应用-(第二版)-黄贤武-郑筱霞主编

1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——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。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。3§8-1霍尔传感器一、霍尔效应IBKUHH——霍尔元件灵敏度HKHU——霍尔电势1、定义霍尔：1879年LbdBIHEIHUxyz半导体I452、霍尔电势的产生N型半导体：evBqvBFL洛仑兹力电场力HEeEFbUEHH而动态平衡bvBUHP型：pedIBUHIBKUHHnedIBUHdIBRUHH或neRH1peRH1令霍尔系数)(enbdvI电流LbdBIHEIHUxyz半导体6pqu1nqu1或neRH1peRH1或uRH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7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I图形符号IHBABCDCDA8（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I9（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10（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。11三、霍尔元件连接方式和输出电路1、基本测量电路EWLRIBHUBIIBdIBRUHH122、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1WIHUE2WAB++++++++++----------直流供电方式：IHU~B交流供电方式：133、霍尔电势的输出电路V15V15V15V15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IAB0UCDABCD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151R2R4R3RWABCDI（a）ABCDW1R2R4R3RWABCDI（b）ABCDW1R2R4R3RWABCDI（c）ABCDW162、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：TIRHV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171、结构及工作原理ccV1稳压23地输出VT霍尔元件放大整形材料：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182、工作特性）（TB121086420）（VVOUTONOFFOPBRPBHB——工作点“开”OPB——释放点“关”RPB——磁滞HB高低，开状态OPBBRPBB低高，关状态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ccV稳压单端输出：SL3501T双端输出：SL3501MccV稳压R20七、霍尔传感器的应用1、霍尔位移传感器dIBRUHHHHdUIdBRKdxddxxKxUH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：1~2mmNNSSIx磁钢Bx0dBdx若为一常数21霍尔传感器的应用222、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：0.3T23霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔元件dIBRUHH243、直流功率测量仪IKIC1dBIRUCHHPKIVKKdRH21VVKB2254、霍尔式接近开关－转速测量转角HV02转角HV0NS霍尔元件永磁体被测轴永磁体安装在轴端NS被测轴霍尔元件永磁体永磁体安装在轴侧26霍尔转速表6022fnSN线性霍尔磁铁27285、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HVIBCI（2）导线贯穿磁芯法I霍尔元件通电导线导磁铁芯简单、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29霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔ICUH=KHIB30压舌豁口将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中316、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质非磁性涂层MSL3501霍尔元件型铁芯U永磁体铁磁基体覆盖层磁回路0123500400300200100)(VUOUT）（厚度mmV5V5327、自动凭票供水装置控制电路锅炉电磁阀投牌口水龙头水瓶收牌箱磁铁磁传感器滑槽33343536373839§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)273.01(220BB磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电B——磁感应强度为B时的电阻率0——零磁场下的电阻率——电子迁移率——磁感应强度B式中，0B电阻率变化2220)(273.0BkB电阻率相对变化磁敏电阻：InSb、InAs40二、磁敏电阻的原理及特性1、原理IIIIIIBBB41blfBk1)(20科尔比诺圆盘blf——形状效应系数l——电阻长度——电阻宽度b012345678910201510510)10(1TBl/b=3l/b=1l/b=1/32、结构42-5-3-10135700600500400300200100磁阻)1.0(TB02040608015010050）电阻（）温度（C3、特性43§8-3磁敏二极管和磁敏三极管一、磁敏二极管1、结构PNI区r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）PNI区r44PNI面rHPNI面rHPNI面r2、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453、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-0.10.10.20.30.42.01.51.00.50OUTV)(TB-0.5-1.0（3）温度特性-40-2002040601.51.00.5）（VVOUT）（CTVV464、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13579IkGs2kGs5.1kGs10kGs5.0kGs5.0kGs2kGs5.1kGs1kGs5.1）电压（V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475、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48二、磁敏三极管1、结构bcePNNIrbce2、工作原理PNNrbcexy复合基区输运基区I49PNNrbcexy复合基区输运基区HPNNrbcexy复合基区输运基区HPNNrbcexy复合基区输运基区I无磁场作用：e-I-b：基极电流输运基区：集电极电流正向磁场作用：载流子偏向发射极一侧，集电极电流减小反向磁场作用：载流子偏向集电极一侧，集电极电流偏大