磁敏传感技术课件.ppt

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1、第六章 磁敏传感器,磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。目前上述磁敏元件已得到广泛的应用。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。,第六章 磁敏传感器 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。早,6.1 磁敏电阻器 磁敏电阻器（Magnetic Resistance ）是基于磁阻效

2、应的磁敏元件,也称MR元件。磁敏电阻的应用范围比较广，可以利用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。一、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。,6.1 磁敏电阻器,在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大时，它的运动轨迹就偏向洛伦兹力的方向；这些载流子从一个电极流到另一个电极所通过的路径就要比无磁场时的路径长些，因此增加了电阻率。 当温度恒定时，在磁场内，磁阻与磁感应强度 B 的平方成正比。如果器件只是在电子参与导电的简单情况下，理论推导出来的磁阻

3、效应方程为,式中 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； B 磁感应强度。当电阻率变化为B 0时，则电阻率的相对变化为：,/0 = 0.2732B2 = K2B2,由此可知，磁场一定时电子迁移率越高的材料（如InSb、InAs和NiSb等半导体材料），其磁阻效应越明显。,在外加磁场作用下，某些载流子受到的洛伦兹力比霍尔电场作用力大,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略，此时霍耳效应更为强烈。若在电子和空穴都存在的材料（如InSb）中，则磁阻效应很强。 磁阻效应还与磁敏电阻的形状、尺寸密切相关。这种与磁敏电阻形状、尺寸有关的磁阻效应称为磁阻效应的几何磁阻效

4、应。若考虑其形状的影响。电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可表达为,长方形磁阻器件只有在L(长度)b（宽度）的条件下，才表现出较高的灵敏度。把Lb的扁平器件串联起来，就会得到零磁场电阻值较大、灵敏度较高的磁阻器件。,为形状效应系数。,当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略,图（a）为器件长宽比lwl的纵长方形片，由于电子运动偏向一侧，必然产生霍尔效应，当霍尔电场EH对电子施加的电场力fE和磁场对电子施加的洛伦兹力fL平衡时，电子运动轨迹就不再继续偏移，所以片内中段电子运动方向和长度l的方向平行，只有两端才是倾斜的。这种情况电子运动路径增加得并不显著，电阻增加得也不多。,L,b,

5、B,B,几何磁阻效应,I,I,（a）,（b）,图(b)是在Lb长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条（即短路栅格），以短路霍尔电势，这种栅格磁阻器件如图（b）所示，就相当于许多扁条状磁阻串联。所以栅格磁阻器件既增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。实验表明，对于InSb材料，当B=1T时，电阻可增大10倍(因为来不及形成较大的霍尔电场EH)。,图（a）为器件长宽比lwl的纵长方形片,磁敏电阻通常使用两种方法来制作： 一种是在较长的元件片上用真空镀膜方法制成，如图(a)所示的许多短路电极(光栅状)的元件； 另一种是由InSb和NiSb构成的共晶式半导体(在拉制 InSb单晶时，加入

6、1的Ni，可得InSb和NiSb的共晶材料)磁敏电阻。这种共晶里，NiSb呈具有一定排列方向的针状晶体，它的导电性好，针的直径在1m左右，长约100m，许多这样的针横向排列，代替了金属条起短路霍尔电压的作用。由于InSb的温度特性不佳，往往在材料中加人一些N型碲或硒，形成掺杂的共晶，但灵敏度要损失一些。在结晶制作过程中有方向性地析出金属而制成磁敏电阻，如上图(b)所示。 除此之外，还有圆盘形，中心和边缘处各有一电极，如上图(c)所示。磁敏电阻大多制成圆盘结构。,二、磁敏电阻的结构,磁敏电阻通常使用两种方法来制作：二、磁敏电阻的结构,各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系如右图所示。由图可

7、见，圆盘形样品的磁阻最大。 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的，且受温度影响较大；因此，使用磁敏电阻时必须首先了解如下图所示的持性曲线。然后，确定温度补偿方案。,磁阻元件的电阻值与磁场的极性无关，它只随磁场强度的增加而增加,磁阻元件的温度特性不好，在应用时，一般都要设计温度补偿电路。,各种形状的磁敏电阻，其磁阻与磁感应强度的关系,磁敏电阻器的应用：,1 作控制元件 可将磁敏电阻用于交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、磁通密度电压变换器和位移电压变换器等电路中作控制元件。 2作计量元件 可将磁敏电阻用于磁场强度测量、位移测量、频率测量和功率因数测量等诸多方面。 3作开关电路 在接近开关、磁卡文字

8、识别和磁电编码器等方面。 4作运算器 可用磁敏电阻在乘法器、除法器、平方器、开平方器、立方器和开立方器等方面使用。 5作模拟元件 可在非线性模拟、平方模拟、立方模拟、三次代数式模拟和负阻抗模拟等方面使用。,磁敏电阻器的应用：1 作控制元件 可将磁敏,磁敏电阻的应用,根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。,磁敏电阻的应用 根据铁磁物体对地磁的,锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。,电路工作原理图,InSb伪币

9、检测传感器工作原理与输出特性,当纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零，如果进入位置1，由于R2电阻增大，则输出变化为0.3mV左右；如果进入位置3时，则仍为0；如果进入位置4，则为-0.3mV，如果进入位置5，则仍为0，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。,锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点,半导体InSb磁敏无接触电位器 半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点:无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSb磁敏无

10、接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。,该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。,半导体InSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器工作原理示图和,6.3 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。

11、霍尔元件和磁敏电阻均是用N型半导体材料制成的体型元件。磁敏二极管和磁敏三极管是PN结型的磁电转换元件，它们具有输出信号大、灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍） 、工作电流小、能识别磁场的极性、体积小、电路简单等特点，它们比较适合磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。,6.3 磁敏二极管和磁敏三极管,一、磁敏二极管的结构和工作原理 1结构 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的一面磨成光滑的低复合表面(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。当通过正向电流后就会在P、I、N结之间形成

12、电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。,一、磁敏二极管的结构和工作原理,当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正)，则有大量的空穴从P区通过i区进入N区，同时也有大量电子注入 P区，这样形成电流，只有少量电子和空穴在i区复合掉。 当磁敏二极管受到如下图 (b)所示的外界磁场H+(正向磁场)作用时，则电子和空穴受到洛仑兹力的作用而向r区偏转，由于r区的电子和空穴复合速度比光滑面I区快，空穴和电子一旦复合就失去导电作用，意味着基区的等效电阻增大，电流减小。磁场强度越强，电子和空穴受到洛仑兹力就越大，单位时间内进入由于r区而复合的电子和空穴数量就越多，载流子减少，外电路的电流越小。,

13、当磁敏二极管受到如右图(c)所示的外界磁场片H- (反向磁场)作用时，则电子和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，i区的等效电阻减小，则外电路的电流变大。 若在磁敏二极管上加反向偏压(P区的负)，则仅有很微小的电流流过，并且几乎与磁场无关。 因此，该器件仅能在正向偏压下工作。利用磁敏二极管的正向导通电流随磁场强度的变化而变化的特性，即可实现磁电转换。,当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压(P区为正,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

14、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。,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,3磁敏二极管的主要特性 (1)磁电待性 在给定条件下，磁敏二极管输出的电压变化与外加磁场的关系称为磁敏二极管的磁电持性。 磁敏二极管通常有单只和互补两种使用方式。它们的磁电特性如下图所示。由图可知，单只使用时，正向磁灵敏度大于反向；互补使用时，正、反向磁灵敏度曲线对称，且在弱磁场下有较好的线性。,3磁敏二极管的主要特性,(2)伏安特性 磁敏二极管正向偏压和通过电流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性，如图

15、所示。从图可知，磁敏二极管在不同磁场强度H下的作用，其伏安特性将是不一样。图 (a)为锗磁敏二极管的伏安特性；(b)为硅磁敏二极管的伏安特性。图 (b)表示在较宽的偏压范围内，电流变化比较平坦；当外加偏压增加到一定值后，电流迅速增加、伏安持性曲线上升很快，表现出其动态电阻比较小。,(2)伏安特性,(3)温度特性 一般情况下，磁敏二极管受温度影响较大，即在一定测试条件下，磁敏二极管的输出电压变化量U，或者在无磁场作用时，中点电压Um随温度变化较大。因此，在实际使用时，必须对其进行温度补偿。 互补式温度补偿电路 选用两只性能相近的磁敏二极管，按相反磁极性组合，即将它们的磁敏面相对或背,向放置串接在

16、电路中。无论温度如何变化，其分压比总保持不变，输出电压Um随温度变化而始终保持不变，这样就达到了温度补偿的目的。不仅如此，互补电路还能提高磁灵敏度。,(3)温度特性向放置串接在电路中。无论温度如,差分式电路 如下图(c)所示。差分电路不仅能很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。如果电路不平衡，可适当调节电阻R1和R2。 全桥电路 全桥电路是将两个互补电路并联而成。和互补电路一样，其工作点只能选在小电流区。该电路在给定的磁场下，其输出电压是差分电路的两倍。由于要选择四只性能相同的磁敏二极管，会给实际使用带来一些困难。 热敏电阻补偿电路 如下图(e)所示。该电路是利用热敏电阻随

17、温度的变化，而使Rt和D的分压系数不变，从而实现温度补偿。热敏电阻补偿电路的成本略低于上述三种温度补偿电路，因此是常被采用的一种温度补偿电路。,差分式电路,二、磁敏三极管的结构和工作原理 1磁敏三极管的结构 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，基区结构类似磁敏二极管，也有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为输运基区和复合基区。,2磁敏三极管的工作原理 当磁敏三极管未受到磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b，形成基极电流；少数载流子输入到c极，因而基极电流大于集电极电流。,当受到正向磁场(H +)作用

18、时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子向复合区偏转 ，导致集电极电流显著下降；当反向磁场(H -)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。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。,二、磁敏三极管的结构和工作原理,N+N+N+cccyyyeeerrrxxxP+P+P+bbb,3. 磁敏三极管的主要特性 (1)磁电特性 磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，是主要特性之一。例如，国产NPN型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线，如左下图所示。 (2)伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似普通晶体管的伏安特性曲线。下右图(a)为不受磁场作用

19、时，磁敏三极管的伏安特性曲线；下右图 (b)是磁场为1kG s，基极为3mA时，集电极电流的变化。由该图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。,3. 磁敏三极管的主要特性,(3)温度特性及其补偿 磁敏三极管对温度比较敏感，实际使用时必须采用适当的方法进行温度补偿。对于锗磁敏三极管，例如，3ACM，3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8/；硅磁敏三极管(3CCM)磁灵敏度的温度系数为-0.6/。对于硅磁敏三极管可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。具体补偿电路如图 (a)所示。当温度升高时，BG1管集电极电流Ic增加，导致BGm管的集电极电流也增加，从而补偿了BGm管

20、因温度升高而导致Ic的下降。 图(b)是利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的这一特性使其作硅磁敏三极管的负载，当温度升高时，可以弥补硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降的问题。除此之外，还可以采用两只特性一,致、磁极相反的磁敏三极管组成的差分电路，如图(c)所示，这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有救的温度补偿电路。,(3)温度特性及其补偿致、磁极相反的磁敏三极,（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 由于磁敏管有效高的磁灵敏度，体积和功耗都很小，且能识别磁极性等优点，是一种新型半导体磁敏元件，它有着广泛的应用前景。 利用磁敏管可以作成磁场探测仪器如高斯计、漏磁测

21、量仪、地磁测量仪等。用磁敏管作成的磁场探测仪，可测量10-7T左右的弱磁场。根据通电导线周围具有磁场，而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理，因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小，既安全又省电，因此是一种备受欢迎的电流表。 此外,利用磁敏管还可制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速),无触点电位器和漏磁探伤仪等。,（三）磁敏二极管和磁敏三极管的应用,磁敏二极管漏磁探伤仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯3、放大器4、磁敏二极管探头5等部分构成。将待

22、测物1 (如钢棒)置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。,磁敏二极管漏磁探伤仪,（四）、常用磁敏管的型号和参数 3BCM型锗磁敏三极管参数表,（四）、常用磁敏管的型号和参数 参 数磁灵敏度,3CCM型硅磁敏三极管参数表,3CCM型硅磁敏三极管参数表 磁灵敏度Ec=6V,6.5 霍尔式传感器

23、,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 一、 霍尔效应及霍尔元件 1. 霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体, 当它的电流方向与磁场方向不一致时, 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势, 这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。,6.5 霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹

24、力的作用，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。,霍尔效应,霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力,如图所示, 在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板, 导电板通以电流I, 方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时, 每个电子受洛仑磁力fl的作用， fl大小为 式中: e电子电荷; v电子运动平均速度; B磁场的磁感应强度。,fl=eBv,如图所示, 在垂直于外磁场B的方向上放置一导,磁敏传感技术课件,fl的方向在图 中是向上的, 此时电子除了沿电流反方向作定向运动外, 还在fl的作用下向上漂移, 结果使金属导电板上底面积累电子,

25、 而下底面积累正电荷, 从而形成了附加内电场EH, 称霍尔电场, 该电场强度为 EH= 式中UH为电位差。霍尔电场的出现, 使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外, 还受到霍尔电场的作用力, 其大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。 随着上、下底面积累电荷的增加, 霍尔电场增加, 电子受到的电场力也增加, 当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、 方向相反时, 即,eEH=evB,fl的方向在图 中是向上的, 此时电子除了沿,eEH=evB则 EH=vB （6 - 17）此时电荷不再向两底面积累, 达到平衡状态。 若金属导电板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为v, 则激励电流I=n

26、evbd, 则 v= （6 - 18）将式（6 -18）代入式（6 - 17）得 EH= （6 -19）,eEH=evB, UH = （6 -20） 式中令RH =1/（ne）, 称之为霍尔常数, 其大小取决于导体载流子密度，则 （6 - 21）式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（6 - 21）可见, 霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度, 霍尔元件常制成薄片形状。,而 代入 得, UH =,对霍尔片材料的要求, 希望有较大的霍尔常数RH, 霍尔元件激励极间电阻 R=L/（bd）, 同时 R=UI/I=EIL/I=vL/

27、（nevbd）其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。 则 (7 - 17)解得 RH= （7 - 18）从式（7 - 18）可知, 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强, 则霍尔常数RH值大, 因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。,对霍尔片材料的要求, 希望有较大的霍尔常数,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。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有: 锗、 硅、砷化铟、 锑化铟等半导体材料。 其中N型锗容易加工制造, 其霍尔系数

28、、 温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好, 其霍尔系数、 温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感, 尤其在低温范围内温度系数大, 但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小, 温度系数也较小, 输出特性线性度好。 表 7 - 1 为常用国产霍尔元件的技术参数。 ,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,磁敏传感技术课件,磁敏传感技术课件,2. 霍尔元件基本结构 霍尔元件的结构很简单, 它由霍尔片、 引线和壳体组成, 如图 7 - 9(a)所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引

29、线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图7- 9(b)所示。,2. 霍尔元件基本结构,磁敏传感技术课件,3. 霍尔元件基本特性 1） 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。 2） 输入电阻和输出电阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔电极输出电

30、势对外电路来说相当于一个电压源, 其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在205时确定的。 ,3. 霍尔元件基本特性,3） 不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。 产生这一现象的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 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; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 不等位电势也可用不等位电阻表示,3） 不等位电势和不等位电阻,式中: U0不等位电势; r0不等位电阻; IH激励电

31、流。 由上式可以看出, 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。 4） 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等位电势外, 还有一直流电势, 称寄生直流电势。 其产生的原因有: ,式中: U0不等位电势; , 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; 两个霍尔电极大小不对称, 则两个电极点的热容不同, 散热状态不同形成极向温差电势。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。 5） 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霍尔电势温度系数。它同时也是

32、霍尔系数的温度系数。 , 激励电极与霍尔电极接触不良, 形成非欧姆,4. 霍尔元件不等位电势补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势， 而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。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。,4. 霍尔元件不等位电势补偿,图6-12为霍尔元件的等效电路，其中A、 B为霍尔电极，C、 D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B处于同一等位面上， r1= r2= r3= r4 ，电桥平衡，不等位电势U0为0。实际上，由于

33、A、 B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、 B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡， 从而使不等位电势为零。几种补偿线路如图6-13所示。图（a）、 （b）为常见的补偿电路， 图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻， 图（d）用于交流供电的情况。,图6-12为霍尔元件的等效电路，其中A、 B,图6-12 霍尔元件的等效电路,图6-12 霍尔元件的等效电路,图6-13 不等位电势补偿电路,图6-13 不等位电势补偿电路,磁敏传感技术课件,5. 霍尔元件温度补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的,

34、因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。 为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外, 由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施, 可以使霍尔电势稳定。 但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。 霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数, 它随温度的变化引起霍尔电势的变化。霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成,5. 霍尔元件温度补偿,KH=KH0（1+T） （6 - 20） 式中: KH0温度T0时的KH值; T =T- T0

35、温度变化量; 霍尔电势温度系数。 并且大多数霍尔元件的温度系数是正值, 它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+T）倍。如果,与此同时让激励电流I相应地减小, 并能保持KHI乘积不变, 也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。图 6- 14 就是按此思路设计的一个既简单、 补偿效果又较好的补偿电路。,KH=KH0（1+T）,图6-14 恒流温度补偿电路,图6-14 恒流温度补偿电路,电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时, 旁路分流电阻Rp自动地加强分流, 减少了霍尔元件的激励电流I, 从而达到补偿的目的。 在图 6 - 14 所示的温度补偿电路中,

36、 设初始温度为T0, 霍尔元件输入电阻为Ri0, 灵敏系数为KH1, 分流电阻为Rp0, 根据分流概念得 IH0= （6 - 21）当温度升至T时, 电路中各参数变为,电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极,Ri=Ri0（1+T） （6 - 22） Rp=Rp0（1+T） （6 -23）式中: 霍尔元件输入电阻温度系数; 分流电阻温度系数。则,虽然温度升高T, 为使霍尔电势不变, 补偿电路必须满足温升前、 后的霍尔电势不变, 即,（6 -24）,Ri=Ri0（1+T）,UH0=UH KH0IH0B=KHIHB （6 - 25）则 KH0IH0=KH IH （6 - 26）将式（6 - 2

37、0）、 （6 - 21）、 （6 - 24）代入上式, 经整理并略去、 (T)2高次项后得 Rp0= （6 - 27） 当霍尔元件选定后, 它的输入电阻Ri0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由式（6 - 27）即可计算出分流电阻Rp0及所需的温度系数值。为了满足R0及两个条件, 分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, 这样虽然麻烦但效果很好。 ,UH0,二、 霍尔式传感器的应用 1. 霍尔式微位移传感器 霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点, 它不仅用于磁感应强度, 有功功率及电能参数的测量, 也在位移测量中得到广泛应用。 图7 - 12 给出了一些霍尔式位

38、移传感器的工作原理图。 图（a）是磁场强度相同的两块永久磁铁, 同极性相对地放置, 霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0, 因此霍尔元件输出的霍尔电势UH也等于零, 此时位移x=0。若霍尔元件在两磁铁中产生相对位移, 霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变, 这时UH不为零, 其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量, 这种结构的传感器, 其动态范围可达 5 mm, 分辨率为 0.001mm。 ,二、 霍尔式传感器的应用,UHKx,UHKx,图（b）所示是一种结构简单的霍尔位移传感器, 由一块永久磁铁组成磁路的传感器, 在x=0 时, 霍尔电压不等于零。 图（c）

39、是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器, 为了获得较好的线性分布, 在磁极端面装有极靴, 霍尔元件调整好初始位置时, 可以使霍尔电压UH=0 。 这种传感器灵敏度很高, 但它所能检测的位移量较小, 适合于微位移量及振动的测量 。 2. 霍尔式转速传感器 图 7 - 13 是几种不同结构的霍尔式转速传感器。 磁性转盘的输入轴与被测转轴相连, 当被测转轴转动时, 磁性转盘随之转动, 固定在磁性转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲, 检测出单位时间的脉冲数, 便可知被测转速。磁性转盘上小磁铁数目的多少决定了传感器测量转速的分辨率。,图（b）所示是一种结构简单的霍尔

40、位移传感器,磁敏传感技术课件,3. 霍尔计数装置 霍尔开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍尔元件, 能感受到很小的磁场变化, 因而可对黑色金属零件进行计数检测。 图 7 - 14 是对钢球进行计数的工作示意图和电路图当钢球通过霍尔开关传感器时, 传感器可输出峰值20mV的脉冲电压, 该电压经运算放大器A（A741）放大后, 驱动半导体三极管VT（2N5812）工作, VT输出端便可接计数器进行计数, 并由显示器显示检测数值。 ,3. 霍尔计数装置,磁敏传感技术课件,钢丝绳断丝检测,霍尔效应钢丝绳断丝检测装置,霍尔效应钢丝绳断丝检测装置,铁磁材料裂纹检测,铁磁材料裂纹检测 NS,电流传

41、感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,电流传感器,霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。,霍耳开关集成传感器,霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可

42、使传感器方便地与各种逻辑电路接口。,1)霍耳开关集成传感器的结构及工作原理,由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。,3020T输出R=2k+12V123（b）应用电路,2)霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。,霍耳开关集成传感器的工作特性曲线,VOUT/V,12,ON,OFF,BRP,BOP,BH,B,霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。,0,该曲线反

43、映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。,2)霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作,3)霍耳开关集成传感器的应用 （1）霍耳开关集成传感器的接口电路,3)霍耳开关集成传感器的应用RLVACVccVccVAC,VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC,霍尔位移传感器 霍尔位移传感器可制作成如图(a)所示结构。在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一

44、定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx如图(b)所示为一常数时，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：,即UHKx 。这说明霍尔电势与位移量成线性关系。其输出电势的极性反映了元件位移方向。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x0时，则元件置于磁场中心位置，UH0。这种位移传感器一般可测量12mm的微小位移，其特点是惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理可以测量与之有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。,霍尔位移传感器即UHKx 。这说明霍尔电势与位移量成线性关,二、汽车霍尔点火器 上图是霍尔电子点火器结构示意

45、图。将霍尔元件(图中之3)固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩1，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口2，当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔器件而成闭合回路，所以电路导通，如上图(a)所示，此时霍尔电路输出低电平（小于等于0.4V）；当罩边凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，如上图(b)所示，霍尔电路输出高电平。,霍尔电子点火器原理如下图所示。当霍尔传感器输出低电平时，BG1截止，BG2、BG3导通，点火线圈的初级有一恒定电流通过。当霍尔传感器输出高电平时，BG1导通，BG2、BG3截止，点火器的初级电流截断，此时储存在点火线圈中的能量，在次级线因以高压放电形式

46、输出，即放电点火。 汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节油，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好等特点，目前国外已广泛采用。,二、汽车霍尔点火器 霍尔电子点火器原理如下图所,三、磁敏二极管漏磁探伤仪 磁敏二极管漏磁探伤仪是利用磁敏二极管可以检测弱磁场变化的特性而设计的。原理如图所示。漏磁探伤仪由激励线圈2、铁芯3、放大器4、磁敏二极管探头5等部分构成。将待测物1 (如钢棒)置于铁芯之下，并使之不断转动，在铁芯、线圈激磁后，钢棒被磁化。若待测钢棒没有损伤的部分在铁芯之下时，铁芯和钢棒被磁化部分构成闭合磁路，激励线圈感应的磁通为，此时无泄漏磁通，磁场二极管探头没有信号输出。若钢棒上的裂纹

47、旋至铁芯下，裂纹处的泄漏磁通作用于探头，探头将泄漏磁通量转换成电压信号，经放大器放大输出，根据指示仪表的示值可以得知待测铁棒中的缺陷。,三、磁敏二极管漏磁探伤仪,四、半导体InSb磁敏无接触电位器 半导体InSb磁敏无接触电位器是半导体InSb磁阻效应的典型应用之一。与传统电位器相比,它具有无可比拟的优点:无接触电刷、无电接触噪音、旋转力矩小、分辨率高、高频特性好、可靠性高、寿命长。半导体InSb磁敏无接触电位器是基于半导体InSb磁阻效应原理，由半导体InSb磁敏电阻元件和偏置磁钢组成；其结构与普通电位器相似。由于无电刷接触，故称无接触电位器。,该电位器的核心是差分型结构的两个半园形磁敏电阻

48、；它们被安装在同一旋转轴上的半园形永磁钢上，其面积恰好覆盖其中一个磁敏电阻；随着旋转轴的转动，磁钢覆盖于磁阻元件的面积发生变化，引起磁敏电阻值发生变化，旋转转轴，即能调节其阻值。其工作原理和输出电压随旋转角度变化的关系曲线如图所示。,四、半导体InSb磁敏无接触电位器磁敏无接触电位器工作原理示,五、锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴伪点钞机中的应用 InSb伪币检测传感器安装在光磁电伪币检测机上，其工作过程如上图所示，电路原理图如下图所示。,电路工作原理图,InSb伪币检测传感器工作原理与输出特性,当纸币上的磁性油墨没有进入位置1时，设输出变化为零，如果进入位置1，由于R2电阻增大，则输

49、出变化为0.3mV左右；如果进入位置3时，则仍为0；如果进入位置4，则为-0.3mV，如果进入位置5，则仍为0，就这样产生输出特性，经过放大、比较、脉冲展宽、显示，就能检测伪币，达到理想效果。,五、锑化铟(InSb)磁阻传感器在磁性油墨鉴,光电传感器,光热效应,光子效应,外光电效应,内光电效应,光电发射效应,光电管、光电倍增管,光电导,光敏电阻、光导管,光生伏特,光电池、光电二极管,测辐射热,热敏电阻、测辐射热计,温差电,热电，热电堆,热释电,热释电探测器,金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应,当光照射到物体上使物体向真空中发射电子,当光照物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效应,光照使材料的电导率发生变化,光照使材料产生产生光生电动势,单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应,探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化,光光热效应光子效应外光电效应 内光电效应 光电发射效应 光电,