磁敏式傳感器實(shí)用教案

1、9.1 霍爾傳感器霍爾傳感器 1 1、霍爾效應(yīng)、霍爾效應(yīng)(xioyng)(xioyng)與霍爾元件與霍爾元件霍爾效應(yīng)：置于磁場中的通電半導(dǎo)體，在垂直于電場和霍爾效應(yīng)：置于磁場中的通電半導(dǎo)體，在垂直于電場和磁場的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象磁場的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象(xinxing)(xinxing)稱為霍爾效應(yīng)。稱為霍爾效應(yīng)。第1頁/共37頁第一頁，共38頁。第2頁/共37頁第二頁，共38頁?；魻栐奖』魻栐奖?d越小越小)，kH就越大，薄膜霍爾元件厚度就越大，薄膜霍爾元件厚度(hud)只有只有1m左右。左右?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。4 42

2、20.1mm0.1mm3 3 激勵(lì)電極激勵(lì)電極霍爾電極霍爾電極第3頁/共37頁第三頁，共38頁?；舳敵龆说亩俗踊舳敵龆说亩俗覥 C、D D相應(yīng)相應(yīng)(xingyng)(xingyng)地稱為霍耳端或輸出端。地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載若霍耳端子間連接負(fù)載, ,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。霍耳端子間的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。 器件電流器件電流(dinli)(dinli)(控制電流控制電流(dinli)(

3、dinli)或輸入電流或輸入電流(dinli):(dinli):流入到器件內(nèi)的電流流入到器件內(nèi)的電流(dinli)(dinli)。電流端子電流端子A A、B B相應(yīng)地稱為相應(yīng)地稱為(chn wi)(chn wi)器件電流端、控制電流端或輸入電流端。器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H HAAABBBCCCDDD 2 2、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路、霍耳磁敏傳感器的符號(hào)與基本電路 第4頁/共37頁第四頁，共38頁。控制電流控制電流I I；霍耳電勢霍耳電勢(dinsh)UH(dinsh)UH；控制電壓控制電壓E E；輸出電阻輸出電阻R2R2；輸入電阻輸入電阻R1R1；霍耳負(fù)載電阻霍耳負(fù)載電阻

4、R3R3；霍耳電流霍耳電流IHIH。 圖中控制電流圖中控制電流I I由電源由電源E E供給供給,RW,RW為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)所需控制電流保證器件內(nèi)所需控制電流I I。霍耳輸出端接負(fù)載?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(cchng)B(cchng)B垂直通過霍耳器件垂直通過霍耳器件, ,在磁場在磁場(cchng)(cchng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路霍耳器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí)實(shí)際使用時(shí),

5、 ,器件輸入信號(hào)器件輸入信號(hào)(xnho)(xnho)可以是可以是I I或或B B，或者，或者IB,IB,而輸出可以正比于而輸出可以正比于I I或或B, B, 或者正比于或者正比于其乘積其乘積IBIB。R3RW第5頁/共37頁第五頁，共38頁?；魻栐霓D(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用(yngyng)(yngyng)中，中，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較大的以獲得較大的UHUH?；魻栐魻栐?yunjin)的連接電路的連接電路第6頁/共37頁第六頁，共38頁。2 2、霍爾元件的材料、霍爾元件的材料

6、(cilio)(cilio)及主要特性參數(shù)及主要特性參數(shù)霍爾元件多采用霍爾元件多采用N N型半導(dǎo)體材料（高的電阻率和載型半導(dǎo)體材料（高的電阻率和載流子的遷移率）。目前最常用流子的遷移率）。目前最常用(chn yn)(chn yn)的霍爾元的霍爾元件材料有鍺件材料有鍺(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)(InSb)、砷化銦、砷化銦(InAs)(InAs)等半導(dǎo)體材料。等半導(dǎo)體材料。主要特性參數(shù)：主要特性參數(shù)：額定額定( dng)( dng)激勵(lì)電流激勵(lì)電流IHIH靈敏度靈敏度KH KH 輸入電阻輸入電阻RiRi與輸出電阻與輸出電阻R0R0第7頁/共37頁第七頁，共

7、38頁。不等位電勢不等位電勢U0U0和不等位電阻和不等位電阻r0 r0 當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零、激勵(lì)電流為額定值為零、激勵(lì)電流為額定值IHIH時(shí)，時(shí)，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電勢）勢）U0U0。不等位電勢。不等位電勢U0U0與額定激勵(lì)電流與額定激勵(lì)電流IHIH之比稱為之比稱為不等位電阻（零位電阻）不等位電阻（零位電阻）r0 .r0 . 產(chǎn)生不等位電勢的原因主要產(chǎn)生不等位電勢的原因主要(zhyo)(zhyo)有：霍爾有：霍爾電極安裝位置不正確（不對(duì)稱或不在同一等電位面電極安裝位置不正確（不對(duì)稱或不在同一等電位面上）；半導(dǎo)體

8、材料的不均勻造成了電阻率不均勻或上）；半導(dǎo)體材料的不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電是幾何尺寸不均勻；激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。流不均勻分布等。霍爾電勢溫度系數(shù)、內(nèi)阻溫度系數(shù)等霍爾電勢溫度系數(shù)、內(nèi)阻溫度系數(shù)等 第8頁/共37頁第八頁，共38頁。3 3、測量誤差及其補(bǔ)償、測量誤差及其補(bǔ)償(bchng)(bchng)不等位不等位(dn wi)(dn wi)電勢誤差及其補(bǔ)償電勢誤差及其補(bǔ)償霍爾元件霍爾元件(yunjin)(yunjin)有兩對(duì)電極，各相鄰電極之間的有兩對(duì)電極，各相鄰電極之間的電阻若為電阻若為r1r1、r2r2、r3r3、r4r4，霍

9、爾元件，霍爾元件(yunjin)(yunjin)可等可等效為一個(gè)四臂電阻電橋。效為一個(gè)四臂電阻電橋。 （a a）不等位電勢）不等位電勢 （b b）霍爾元件等效電路）霍爾元件等效電路 第9頁/共37頁第九頁，共38頁。能夠使電橋達(dá)到平衡的措施均可以用于補(bǔ)償不等位電能夠使電橋達(dá)到平衡的措施均可以用于補(bǔ)償不等位電勢。由于霍爾元件勢。由于霍爾元件(yunjin)(yunjin)的不等位電勢同時(shí)也是溫的不等位電勢同時(shí)也是溫度的函數(shù)，所以同時(shí)要考慮溫度補(bǔ)償問題度的函數(shù)，所以同時(shí)要考慮溫度補(bǔ)償問題 。第10頁/共37頁第十頁，共38頁。溫度溫度(wnd)(wnd)誤差及其補(bǔ)償誤差及其補(bǔ)償常用的補(bǔ)償電路包括：

10、恒流源激勵(lì)并聯(lián)分流電阻補(bǔ)償常用的補(bǔ)償電路包括：恒流源激勵(lì)并聯(lián)分流電阻補(bǔ)償電路；恒壓源激勵(lì)輸入回路串聯(lián)電阻補(bǔ)償電路；電橋電路；恒壓源激勵(lì)輸入回路串聯(lián)電阻補(bǔ)償電路；電橋補(bǔ)償電路；以及采用正、負(fù)不同溫度系數(shù)的電阻或合補(bǔ)償電路；以及采用正、負(fù)不同溫度系數(shù)的電阻或合理選取負(fù)載電阻的阻值理選取負(fù)載電阻的阻值(z zh)補(bǔ)償電路等等。補(bǔ)償電路等等。第11頁/共37頁第十一頁，共38頁。假設(shè)初始溫度為假設(shè)初始溫度為T0時(shí)有如下參數(shù)：霍爾元件的輸入電阻為時(shí)有如下參數(shù)：霍爾元件的輸入電阻為Ri0，選用的，選用的補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電阻RP0，被分流掉的電流為，被分流掉的電流為Ip0，激勵(lì)電流，激勵(lì)電流Ic0，霍爾元件的靈

11、敏，霍爾元件的靈敏度度KH0。當(dāng)溫度升為當(dāng)溫度升為T時(shí)，上述時(shí)，上述(shngsh)各參數(shù)相應(yīng)為：各參數(shù)相應(yīng)為：Ri、RP、Ip、Ic、KH，且有關(guān)系，且有關(guān)系)1 ()1 ()1 (000TKKTRRTRRHHPPii、；0TTT分別為輸入電阻分別為輸入電阻(dinz)、分、分流電阻流電阻(dinz)及靈敏度及靈敏度的溫度系數(shù)的溫度系數(shù) 0000iPPcRRRII)1 ()1 ()1 (000TRTRTRIIiPPc由電路(dinl)第12頁/共37頁第十二頁，共38頁。00iPRR于是于是(ysh) 對(duì)于確定的霍爾元件(yunjin)，其參數(shù)是確定值，可由上式求得分流電阻RP0及要求的溫度

12、系數(shù)，為此，此分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻進(jìn)行串并聯(lián)。)1 ()1 ()1 ()1 (0000000TRTRTRBITKUBIKBIKUiPPHHcHcHH當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化T時(shí)，為使霍爾電勢不變則必須有如下時(shí)，為使霍爾電勢不變則必須有如下(rxi)關(guān)系：關(guān)系：第13頁/共37頁第十三頁，共38頁。4 4、霍爾集成、霍爾集成(j chn)(j chn)傳感器傳感器 將霍爾元件與放大、整形等電路集成將霍爾元件與放大、整形等電路集成(j chn)在同一芯片上，具有體積小、靈敏度高、價(jià)格便宜、在同一芯片上，具有體積小、靈敏度高、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 差動(dòng)輸出(shch)

13、線性霍爾集成傳感器第14頁/共37頁第十四頁，共38頁?；舳€性集成傳感器的主要技術(shù)霍耳線性集成傳感器的主要技術(shù)(jsh)(jsh)特性特性磁感應(yīng)強(qiáng)度(qingd)B/T5.65.64.64.63.63.62.62.61.61.6-0.3-0.3-0.2-0.2-0.1-0.10 00.10.10.20.20.30.3輸輸出出(s(shhchch)電電壓壓U/U/V VSL3501T傳感器的輸出特性曲線第15頁/共37頁第十五頁，共38頁。由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。五部分組成。 穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓

14、穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓(diny)(diny)范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。種邏輯電路接口。 霍耳開關(guān)集成霍耳開關(guān)集成(j chn)(j chn)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2 23 3輸出輸出(shch(shch)+ +穩(wěn)壓穩(wěn)壓V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大BTBT整形整形地地H H霍耳開關(guān)集成傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器第16頁/共37頁第十六頁，共38頁。開關(guān)(kigun)型霍爾集成傳感器第17頁/共37頁第十七頁，共38頁。5 5、霍爾傳感器的應(yīng)用、霍爾傳感器的應(yīng)用(yngyng)(yngy

15、ng) 霍爾位移霍爾位移(wiy)傳傳感器感器輸出電勢為UH1UH2。在初始位置時(shí)UH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，即可得到(d do)輸出電壓，其大小正比于位移量。 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范結(jié)構(gòu)簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大圍大( (輸出電勢變化范圍可達(dá)輸出電勢變化范圍可達(dá)1000:1)1000:1)、壽命長等特點(diǎn)，、壽命長等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。因此獲得了廣泛應(yīng)用。 第18頁/共37頁第十八頁，共38頁。 霍爾轉(zhuǎn)速霍爾轉(zhuǎn)速(zhun s)測量測量傳感器傳感器第19頁/共37頁第十九頁，共38頁。電機(jī)(dinj)通斷控制電

16、路 N S磁鋼P(yáng)ST-52512VCC3GNDOUT1 kEb12 V4.7 k2SA1012V1MC0.1 V2第20頁/共37頁第二十頁，共38頁。 霍爾加速度傳感器霍爾加速度傳感器 霍爾振動(dòng)霍爾振動(dòng)(zhndng)(zhndng)傳感器傳感器第21頁/共37頁第二十一頁，共38頁。 霍爾流量計(jì)霍爾流量計(jì)第22頁/共37頁第二十二頁，共38頁。無損無損(w sn)探傷探傷第23頁/共37頁第二十三頁，共38頁。9.2 磁敏電阻(dinz) 1、磁阻效應(yīng)、磁阻效應(yīng)(xioyng) 當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場中，其電阻值會(huì)隨磁場而當(dāng)一載流半導(dǎo)體置于磁場中，其電阻值會(huì)隨磁場而變化變化(binhu)的

17、這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。的這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。 在磁場作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，在磁場作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)電流分布是不均勻的，改變磁場的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為改變磁場的強(qiáng)弱就影響電流密度的分布，故表現(xiàn)為半導(dǎo)體片的電阻變化。半導(dǎo)體片的電阻變化。bLfBK/1220第24頁/共37頁第二十四頁，共38頁。與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：即霍爾電勢與霍爾效應(yīng)的區(qū)別：即霍爾電勢(dinsh)(dinsh)是指垂直于電是指垂直于電流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變流方向的橫向電壓，而磁阻效應(yīng)則是沿電流方向的電阻變化?；?。 磁阻效應(yīng)(xioyng)與材料性質(zhì)及幾何形狀有關(guān)，一般遷移

18、率大的材料，磁阻效應(yīng)(xioyng)愈顯著；元件的長、寬比愈小，磁阻效應(yīng)(xioyng)愈大。 第25頁/共37頁第二十五頁，共38頁。2、磁敏電阻的結(jié)構(gòu)、磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(jigu)與特性與特性 磁敏電阻常選用磁敏電阻常選用InSbInSb、InAsInAs和和NiSbNiSb等半導(dǎo)體材料，等半導(dǎo)體材料，在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄在絕緣基片上蒸鍍薄的半導(dǎo)體材料，也可在半導(dǎo)體薄片上光刻或腐蝕成型片上光刻或腐蝕成型(chngxng)(chngxng)（柵狀結(jié)構(gòu)）。（柵狀結(jié)構(gòu)）。 第26頁/共37頁第二十六頁，共38頁。主要特性：主要特性：磁電特性：電阻的增量與磁場的平方成正比；

19、磁電特性：電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負(fù)與磁場的正負(fù)(zhn f)(zhn f)無關(guān)；無關(guān)；溫度特性：溫度系數(shù)影響大；溫度特性：溫度系數(shù)影響大；頻率特性：工作頻率范圍大；磁感應(yīng)的范圍比頻率特性：工作頻率范圍大；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。霍爾元件大。第27頁/共37頁第二十七頁，共38頁。3、磁敏電阻、磁敏電阻(dinz)的應(yīng)用的應(yīng)用 磁頭；接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)；也可用于位磁頭；接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)；也可用于位移移(wiy)(wiy)、力、加速度等參數(shù)的測量。、力、加速度等參數(shù)的測量。 R1、R2磁敏電阻磁敏電阻(dinz)位移傳感器位移傳感器 第28頁/共37頁第二十八頁，共38頁

20、。9.3 磁敏二極管和磁敏三極管磁敏二極管和磁敏三極管 磁敏二極管和磁敏三極管是一種磁敏二極管和磁敏三極管是一種PNPN結(jié)型的新型磁電結(jié)型的新型磁電轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出轉(zhuǎn)換器件，它具有輸出(shch)(shch)信號(hào)大、靈敏度高信號(hào)大、靈敏度高（約為霍爾元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體（約為霍爾元件的數(shù)百至數(shù)千倍）、工作電流小、體積小等特點(diǎn)，在磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測與控制中應(yīng)積小等特點(diǎn)，在磁場、轉(zhuǎn)速、探傷等檢測與控制中應(yīng)用廣泛。用廣泛。1、磁敏二極管、磁敏二極管第29頁/共37頁第二十九頁，共38頁。 工作工作(gngzu)原理原理磁場強(qiáng)度磁場強(qiáng)度(cchng qingd)的改變引起電流發(fā)

21、生變化，的改變引起電流發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。 第30頁/共37頁第三十頁，共38頁。主要主要(zhyo)特性特性u(píng)伏安特性：不同磁場作用下所加正向偏壓與二極管流過電伏安特性：不同磁場作用下所加正向偏壓與二極管流過電流流(dinli)的關(guān)系。的關(guān)系。u磁電特性：輸出電壓的變比與外加磁場的關(guān)系。磁電特性：輸出電壓的變比與外加磁場的關(guān)系。u溫度特性：溫度系數(shù)的影響。溫度特性：溫度系數(shù)的影響。u頻率特性：與材料、尺寸有關(guān)。頻率特性：與材料、尺寸有關(guān)。 第31頁/共37頁第三十一頁，共38頁。2、磁敏三極管、磁敏三極管在正反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)在正反向磁場作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)受到正向受到正向(zhn xin)(zhn xin)磁場磁場(H+)(H+)作用時(shí)，載流子向發(fā)作用時(shí)，載流子向發(fā)射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流減小。當(dāng)受到負(fù)向磁場射極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流減小。當(dāng)受到負(fù)向磁場(H-)(H-)作用時(shí)，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流作用時(shí)，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電極電流增大。增大。 第32頁/共37頁第三十二頁，共38頁。主要特性主要特性(txng)（普通三極管）（普通三極管）u伏安特性：不同磁場作用伏安特性：不同磁場作