《周小课磁传感器》课件.ppt

提高热敏电阻传感器互换性与线性,由于NTC是烧结半导体，所以它的特性参数有一定的离散型。在批量生产中，即使是同一批产品，其标称阻值的离散率较大，因此这种传感器的互换性较差。此外，热电特性的非线性较大，影响了传感器测量精度的提高。为了克服热敏电阻传感器的上述缺点，改善其性能，可通过在热敏电阻上串并联固定电阻，作成组合式元件来代替单个热敏元件，使组合式元件电路特性参数保持一致并获得一定程度的线性特性。,回 顾,热敏电阻的应用,从热敏电阻器的用途来看，主要分成两大类：一类是作为检测元件；另一类是作为电路元件。,回 顾,由元件的伏-安特性看，热敏电阻器在技术方面的应用可分成四类。,第7章 教学内容,霍尔元件霍尔开关集成传感器霍尔线性集成传感器磁传感器的应用电地暖,本次课教学内容,霍尔元件,教学要求,熟练掌握霍尔元件的工作原理；了解霍尔元件的主要特性、特点及应用范围；掌握消除霍尔元件本身存在的不等位电动势U0的方法。,磁传感器,根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。,磁传感器,早在1879年，人们就在金属中发现了霍尔效应，但是由于这种效应在金属中非常微弱，当时并没有引起重视。直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被人们重视和利用，开发了多种霍尔元件。,霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件。霍尔效率的原理如图7.1所示。图中半导体为长方体，在电场E的作用下，电流在正面平行流过，如果没有磁场作用，电子是均匀分布的，如图7.1（a）所示。,霍尔元件,(a)无磁场(b)加磁场瞬间(c)加磁场后的稳定状态图7.1 霍尔元件工作原理图,霍尔元件,如果在半导体正面垂直方向加上磁场B，则在加上磁场的瞬间，电子在洛伦兹力的作用下向下方偏移，如图7.1（b）所示。这样，在半导体下侧方向上电子过剩而上侧方向电子不足，于是就产生了一个横方向上的电场，这就是霍尔电场，如图7.1(c)所示。,霍尔元件,霍尔电场产生一定大小的静电力与洛伦兹力相平衡，使得半导体内的电子仍能平行地沿正面向前运动，在半导体横面上存在一个电压，称为霍尔电压，这种的现象就是霍尔效应。,霍尔元件,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。,式中：UH 霍尔电压；RH 霍尔系数；d 霍尔元件的厚度；I通过霍尔元件的电流；B 加在霍尔元件上的磁场磁力线密度；f(l/W)元件形状函数，其中l为元件的长度，W为元件的宽度。,霍尔元件在磁场作用下，产生的霍尔电压，可由下式给出，即,霍尔元件,从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定，霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变。因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小和方向。,霍尔元件,霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH愈大UH愈大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质和尺寸。材料的电阻率 和电子迁移率大，就大，输出的UH也就大。霍尔系数与电子迁移率和电阻率有关。,霍尔元件的材料及结构,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。,霍尔元件的材料及结构,霍尔系数与元件的尺寸有关，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的RH尽可能的大。元件的厚度愈大，UH愈小，所以霍尔元件的厚度都比较小，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。,霍尔元件的材料及结构,霍尔元件较常采用的半导体材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟(InAs)、砷化镓(CaAs)及磷砷化铟(InAsP)、N型硅（Si）等。锑化铟元件的输出较大，受温度的影响也较大；砷化铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好；砷化镓元件的温度特性和输出线性好，但价格贵。,霍尔元件的材料及结构,霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，它的灵敏度低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。,霍尔元件,图7.2是一种用溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件的结构，它由衬底、十字形霍尔元件、电极引线及磁性体顶端等构成。十字形霍尔元件4个端部的引线，有一对是电流输入端，另一对为霍尔电压输出端。铁磁体顶端是为了集中磁力线和提高元件灵敏度设置的，它的体积越大，元件的输出灵敏度越高。,霍尔元件,图7.2 锑化铟霍尔元件结构图,霍尔元件,霍尔元件,霍尔元件是霍尔传感器的核心，它的结构比较简单。霍尔元件的基本结构由霍尔片、4根引线和壳体组成。,1、2控制电流引线端3、4霍尔电势输出端,1.输入电阻RIN 和输出电阻ROUT 霍尔元件输入1和输入2的控制电流极间电阻为输入电阻RIN；输出1和输出2的霍尔电压极间电阻为输出电阻ROUT。2.额定控制电流IC 给霍尔元件通以电流，能使霍尔元件在空气中产生100C温升的电流值，称为控制电流IC。,霍尔元件的主要特性,3.不等位电势U0 霍尔元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电压的理想值应为零，但由于存在着电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍尔元件会输出电压，该电压称为不等位电势U0，其值与输入电压、电流成正比。U0一般很小，不大于1mV。,霍尔元件的主要特性,3.不等位电势U0,霍尔元件的主要特性,霍尔元件的等效电路,4.霍尔电压UH 将霍尔元件置于B=0.1T的磁场中，再加上输入电压，此时霍尔元件的输出电压就是霍尔电压UH。图7.3是霍尔元件在恒流源和恒压源下的霍尔电压UH 和磁通密度B之间的典型曲线。,霍尔元件的主要特性,磁感应强度B/T 磁感应强度B/T(a)恒流源驱动（b）恒压源驱动图7.3霍尔元件输出特性,霍尔元件的主要特性,5.霍尔电压的温度特性当温度升高时，霍尔电压减小，呈现负温度特性。,霍尔元件的主要特性,表7.1霍尔元件的主要技术指标。,霍尔元件的主要特性,1.对不等位电势U0 的补偿电路一般常采用加补偿电阻的方法来消除由于霍尔元件本身存在的不等位电势U0，但使用这种方法会影响霍尔元件的灵敏度和精度。图7.4是常见的几种补偿电路。,霍尔元件的补偿电路,图7.4利用跨接电阻补偿不等位电势的一些电路,霍尔元件的补偿电路,2.温度补偿电路由温度引起的误差可以采用温度系数小的元件，也可以采用并联电阻的方法来补偿，其计算公式为R=RIN/,式中、RIN可从参数表中查出。通常R=(3050)RIN霍尔电势温度系数；为分流电阻温度系数。具体电路如图7.5所示。,霍尔元件的补偿电路,图7.5温度补偿电路,霍尔元件的补偿电路,（1）霍尔元件可以测量磁物理量及电量，还可以通过转换测量其它非电量。（2）由于霍尔元件的输出量是比例与两个输入量的乘积，因此，可以方便而准确地实现乘法运算，可构成各种非线性运算部件。（3）输出信号的信噪比大。,霍尔元件的特点,（4）频率范围宽。一般的霍尔元件都工作在从直流到数百千赫兹的频率范围内。（5）体积小（一般为10 10cm），重量轻，使用方便。（6）稳定性好，寿命长，可无限次使用。,霍尔元件的特点,霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，如无线电技术、计算机技术、自动控制技术等、具体的应用产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、调制器、位移传感器、微波功率计、频率倍增器、回转器、乘法器、磁带或磁鼓读出器、霍尔电机，等等。,霍尔元件的应用范围,霍尔效应,总 结,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。,(a)无磁场(b)加磁场瞬间(c)加磁场后的稳定状态图7.1 霍尔元件工作原理图,总 结,总 结,不等位电势U0 霍尔元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电压的理想值应为零，但由于存在着电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍尔元件会输出电压，该电压称为不等位电势U0，其值与输入电压、电流成正比。U0一般很小，不大于1mV。,思考题,1、什么是霍尔效应？2、霍尔元件的主要特性是什么？,霍尔开关集成传感器霍尔线性集成传感器,预习,