第4章_磁敏传感器

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第,4,章,磁敏传感器,1,磁敏传感器的物理基础,2,霍尔元件,3,霍尔元件的应用,磁敏传感器,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,磁敏二极管,磁敏三极管,霍尔传感器,磁敏电阻,4.1,磁敏传感器的物理基础,1,、磁现象：磁荷不能单独存在，必须,N,、,S,成对存在，并且在闭区间表面全部磁束进出总和必等于零，即,divB=0,2,、磁感应强度、电场强度与运动电荷所受力的关系：,F=e(E+vB)=eE+evB,3,、磁通变化与电动势的关系：,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在,垂直,于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,德国物理学家霍尔,1879,年发现。,一、霍尔效应,4.2,霍尔元件,二 霍尔元件工作原理：,如图所示,N,型半导体薄片，于垂直方向上施加磁感应强度为,B,的磁场，在薄片左右两端通以控制电流,I,。,图,4.1,霍尔效应原理图,半导体中的载流子,(,电子,),将沿着与电流,I,相反的方向运动。,由于外磁场,B,的作用，使电子受到磁场力,f,L,(,洛仑兹力,),而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子积累带负电，而前端面缺少电子带正电，在前后断面间形成,电场,。,该电场产生的电场力,f,E,阻止电子继续偏转。,分析：,式中：,电阻率、,n,电子浓度,电子迁移率,=/E,单位电场强度作用下载流子运动速度。,在半导体前后两端面之间,(,即垂直于电流和磁场方向,),建立电场，称为,霍尔电场,E,H,，相应的电势称为,霍尔电势,U,H,。,R,H,霍尔系数，由载流材料的物理性质决定；,k,H,灵敏度系数，与载流材料的,物理性质和几何尺寸,有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时,的霍尔电势的大小；,d,薄片厚度。,U,H,K,H,I B,讨论：,任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件,;,绝缘材料电阻率,很大，电子迁移率,很小，不适用；,金属材料电子浓度,n,很高，,R,H,很小，,U,H,很小,不适用,;,半导体材料电阻率,较大,R,H,大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用,N,型半导体（多电子）,;,由上式可见，厚度,d,越小，霍尔灵敏度,K,H,越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似,1,微米,(d1m),。,注：,1,、当电流,I,的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变；但当两者的方向同时改变时输出电势不改变方向。,2,、,如果磁场和薄片法线有,角，那么,：,V,H,K,H,I B,cos,三霍尔元件结构,霍尔器件片,a),实际结构,(mm),；,(b),简化结构；,(c),等效电路,外形尺寸,:6.43.10.2;,有效尺寸：,5.42.70.2,d,s,l,（,b,）,2.1,5.4,2.7,A,B,0.2,0.5,0.3,C,D,（,a,）,w,电流极,霍尔电极,R,4,A,B,C,D,R,1,R,2,R,3,R,4,（,c,）,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,霍尔器件符号,A,C,D,B,H,A,B,C,D,A,B,C,D,霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线。,电流端子,A,、,B,称为器件,电流端,、控制电流端。,端子,C,、,D,称为,霍尔端,或输出端。,实测中可把,I*B,作输入，也可把,I,或,B,单独做输入；,通过霍尔电势输出测量结果。,控制电流,I,；,霍尔电势,U,H,；,控制电压,V,；,霍尔负载电阻,R,L,；,霍尔电流,I,H,。,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,R,L,R,L,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。,U,H,R,L,V,B,I,E,I,H,霍尔,器件的基本电路,R,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,。,四 基本电路形式,霍尔元件输入输出电路：,1,、,恒压工作,：,特点：性能差，适用于对精度要求不高的地方,性能差的原因：霍尔元件输入电阻随温度变化和,磁阻效应的影响。,2,、,恒流工作,:,特点：充分发挥霍尔传感器的性能；没有霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。,3,、,差分放大,：,特点：能去除霍尔输出的同相电压,五基本特性,1.U,H,I,特性,当磁场（）恒定时，在一定温度下，测定控制电流,I,与霍尔电势,U,H,，可得到良好的线性关系，如图所示。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用,K,I,表示，,由此可得，灵敏度,K,H,大的元件，其控制电流灵敏度,K,I,一般也大。但是灵敏度大的元件，,U,H,不一定大，因为,U,H,还与,I,有关。,2.U,H,B,特性,当控制电流,I,保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈现线性关系，而有非线性偏离。通常,霍尔元件工作在,0.5Wb,m,2,以下时线性度较好,如图所示。使用中,若对线性度要求很高时,可采用,HZ-4,它的线性偏离一般不大于,0.2%,。,六 霍尔元件的误差及其补偿,产生误差的原因,：,一是制作工艺、制作水平的限制。,二是外界温度的影响。,（一）零位误差,1,、不等位电势,U,0,及其补偿,B=0,，,I0,，,U,H,=U,0,0,。,U,0,为不等位电势。,产生原因：,霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上，或激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,2024/10/2,传感器原理及应用,产生原因：,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，,等电位面歪斜。,不等位电势,U,0,及其补偿,不等位电势是一个主要的零位误差。制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，如图，当控制电流,I,流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电势极上仍有电势存在，该电势称为不等位电势,U,0,。不等位电势是产生零位误差的主要原因。其等效电路如图所示，若两个霍尔电极在同一等位面上，则,r,1,=r,2,=r,3,=r,4,，电桥平衡，,U,0,0,。当霍尔电极不在同一等位面上时（如图），因,r,3,增大、,r,4,减小，电桥平衡被破坏，使,U,0,0,。有各种方法可以减小不等位电势以达到补偿的目的。,不等位电势示意图,U,0,r,4,r,2,r,3,r,1,霍尔元件的等效电路,不等位电势的补偿：,不等位电势可表示为,U,0,=r,0,I,H,(,r,0,为不等位电阻,),分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥，不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出,U,0,0,，,可在电阻大的桥臂上并联电阻。,（二）霍尔元件温度误差及补偿,由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化,因此,霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）对温度的变化也是很灵敏的。,为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件（如砷化铟）或采用恒温措施外,用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题,还必须结合其它补偿线路。,图所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制电流极并联一个合适的补偿电阻,r,0,这个电阻起分流作用。当温度升高时,霍尔元件的内阻迅速增加,所以流过元件的电流减小,而流过补偿电阻,r,0,的电流却增加。这样,利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻,就能自动调节流过霍尔元件的电流大小,从而起到补偿作用。,r,0,的大小可通过推导求得。,当霍尔元件给定后,霍尔元件的内阻温度系数,和霍尔电势的温度系数,可以从元件的参数表中查到,而元件的内阻,R,0,则可以直接测量出来。,表,4.1,常用霍尔元件的特性参数,4.2,霍尔传感器的应用,利用霍尔效应制作的霍尔器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。,利用霍尔电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。,利用霍尔传感器制作的仪器,优点：,(1),体积小，结构简单、坚固耐用。,(2),无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。,(3),装置性能稳定，寿命长，可靠性高。,(4),频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。,(5),霍尔器件载流子惯性小，装置动态特性好。,霍尔器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服,。,霍尔位移传感器,如图,4.41(a),在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流,I,恒定不变时,霍尔电势,U,H,与磁感应强度,B,成正比。若磁场在一定范围内沿,x,方向的变化梯度,d,B,d,x,为一常数（见图,4.40(b),）,则当霍尔元件沿,x,方向移动时,霍尔电势的变化为,式中,k,是位移传感器的输出灵敏度,（,4.15,）,将式（,4.15,）积分后得,U,H,=,kx,(4.16),式,(4.16),说明,霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大,灵敏度越高；磁场梯度越均匀,输出线性度越好。当,x=0,即元件位于磁场中间位置上时,U,H,=0,。这是由于元件在此位置受到方向相反、大小相等的磁通作用的结果。,霍尔位移传感器一般可用来测量,1,2mm,的小位移。其特点是惯性小,响应速度快,无接触测量。利用这一原理还可以测量其它非电量,如力、压力、压差、液位、加速度等。,图,4.41,霍尔位移传感器的磁路结构示意图,(a),磁路结构；（,b,）磁场变化,2.,霍尔压力传感器,图,4.42,是,HYD,型压力传感器。这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后,再应用霍尔电势与位移关系测量压力。作为压力敏感元件的弹簧管,其一端固定,另一端安装着霍尔元件。当输入压力增加时,弹簧管伸长,使处于恒定梯度磁场中的霍尔元件产生相应的位移,从霍尔元件的输出电压的大小即可反映出压力的大小。其元件的位移在,1.5mm,范围内,输出约,20mV,工作电流,10 mA,线性较好。,图,4.42 HYD,型压力传感器,3.,霍尔磁极检测器,使用霍尔元件可以很方便地制作检查磁铁,N,极、,S,极的磁极检测器。,磁极检测器的电路如图,4.43,所示。电路中使用了输出电压大的,InSb,霍尔元件,H,1,。,H,1,在恒压条件下工作,电阻,R,1,(330),是限流电阻,发光二极管是电流指示灯。在霍尔元件中流过的电流,I,c,为,式中：,U,cc,为电源电压；,U,LED,为发光二极管的正向电压；,R,H,为霍尔元件的电阻。,图中选用的霍尔元件的,R,H,=300,使,I,c,约为,100 mA,。,图,4.43,磁极检测器电路,霍尔电压,U,H,由运算放大器,A,1,和,A,2,放大,100,倍,N,极、,S,极可用满刻度为,0.2,的模拟表指示。当然，使用在调谐器中所用的调谐指示比较方便。被测磁铁很大时,表针可能会超过指示范围,为此要加上二极管,V,1,和,V,2,将加在表上的电压限制在,0.6,0.7 V,。为了保证表头上流过,0.2mA,的电流,取,R,3,=3k,。由于有二极管,V,1,和,V,2,的限流作用,R,2,可取,2k,流过二极管的最大电流约有,4 mA,。,该检测器使用简便,当用它靠近被测磁铁,表针就会指示出极性。,电路图中的,R,w,用于调整霍尔传感器的偏移电压。没有磁铁靠近时,表针应处在中心位