传感器原理与应用主编戴焯第七章磁电传感器.ppt
第七章 磁电传感器第一节 霍尔传感器 一、霍尔效应 二、霍尔元件的基本特性 三、测量电路 四、误差及其补偿 五、集成霍尔传感器 六、霍尔传感器的应用第二节 磁敏电阻 一、磁阻效应 二、磁敏电阻的基本特性 三、磁敏电阻的应用 第三节 磁敏二极管和磁敏三极管 一、磁敏二极管 二、磁敏三极管 三、磁敏管的应用,第七章 磁电传感器 磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管及磁敏三极管。第一节 霍尔传感器 霍尔是美国的一位物理学家，他在1879年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，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。,图71中，v 表示半导体中电子在控制电流I作用下的运动方向和速度，FL 表示电子受到磁场的洛伦兹力，其大小为,式中q 为电子的电荷量，FL 方向符合左手掌定则,运动电子在洛伦兹力FL 的作用下，电子以抛物线形式向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电荷，形成霍尔电场，该电场对随后的电子施加一电场力FE FE 表示该霍尔电场的电场力；当霍尔电场力FE 与洛伦兹力FL 相等时，电荷积累达到动态平衡。FE=qEH=Uh/bI=-nqvbd,(7-1),二、霍尔元件的基本特性 霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成，其电路符号如图72所示。图中两短边引线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压；霍尔元件的壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。,图72 霍尔元件电路符号,由式（72）可知，要使霍尔元件有较高的灵敏度，必须要求霍尔元件材料有较大的霍尔常数。霍尔常数RH 等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。,常用半导体材料的特性,由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如下几个基本特性。1UHI 特性 当KH 和B 为定值时，在一定的温度下，霍尔电压UH 与控制电流I 有较好的线性关系，此时I 对UH 有较高的灵敏度。利用这一特性，霍尔元件可直接用于测量电流或激励源电压，也可以用于测量能转换为电流的其他物理量。2UHB 特性 当KH 和I 为定值时，霍尔电压UH 与磁场B 具有单值关系，在磁不饱和时（一般B小于0.5T）UB 与B 具有线性关系。利用这一特性，霍尔元件可用于测量交、直流磁感应强度或磁场强度；若B 为一个均匀梯度的磁场，则霍尔电压UB 取决于霍尔元件在磁场中的位置，从而实现微位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的测量。,3UHIB 特性 利用UH 与IB 的乘积关系，霍尔元件可作成乘法器，当控制电流I 和磁场B 为同一电源激励时，可利用霍尔元件进行电源输出功率的测量。4开关特性 霍尔元件霍尔效应的建立时间极短（10121014 S），适宜于作高频信号的检测或无触点开关，利用这一特性，霍尔元件可用于制作计数器或转速计。5集成特性 霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于与测量电路一起作成集成霍尔传感器。,四、误差及其补偿 1零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出现的霍尔电压UH，称之为零位误差。引起零位误差的原因主要有如下三个因素。（1）直流寄生电势 霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不等、热容量不同,或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。（2）寄生感应电势 当控制电流I 为交变电流时,此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势,要求各电极引线尽可能短,且布线合理以减少磁交链。,2温度误差及其补偿 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素有两类：半导体的固有特性；半导体制造工艺缺陷。其主要表现形式为温度误差和零位误差。一般来说，温度升高半导体材料的电阻率（下降）和迁移率（下降）载流子浓度（增加）RH下降，霍尔元件中常用的几种材料，硅比锗温度系数小一些，梯化铟对温度最敏感，但其霍尔常数大，砷化铟温度系数最小，但其霍尔常数小。不同材料的霍尔元件都具有一定的温度系数，致使霍尔电压UH随温度而变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件或采取恒温措施外，通常可采用图77所示恒流源控制电路补偿方法。,在图77电路中,电流I为恒定电流，不受温度影响；电阻rH 为霍尔元件等效输入电阻，并联rT 为外接补偿电阻，rT 具有如rH 相同的正温度系数,此时霍尔元件的控制电流 基本不变。-霍尔器件内阻温度系数-霍尔电势温度系数（查元件参数表、或产品说明书）,图77 温度补偿电路,电桥补偿电路。RP用于调节补偿不等位电势。在霍尔元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上R1R4均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻Rt。当温度变化时，Rt阻值随之变化，使补偿电桥的输出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数，便可以做到一定温度范围内4040，在1、2两点间的霍尔电势与温度基本无关。,五、集成霍尔传感器 随着硅集成电路工艺日趋完善，可以把霍尔元件和测量电路集成在一起而组成集成霍尔传感器。目前已研制出多种集成霍尔传感器，按其功能不同可分为两大类，即开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。1开关型集成霍尔传感器（控制电路）开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出电压经电路处理后形成一个高电平或低电平的开关量输出，集成电路主要由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器等部分组成，如图78所示。,图79 输出电平与磁感应强度关系,差分放大器通常为两级差分放大电路，第二级差分放大采用达林顿管，全电路的增益可达1000倍，因而灵敏度大大提高；在磁不饱和的情况下，输出电压与磁感应强度有很好的线性关系。这种电路内部一般都没有电源调整电路和附加温度补偿电路，应用时最好外加稳压电路及温度补偿措施。,六、霍尔传感器的应用 霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。1高斯计 如图711所示，将霍尔元件垂直置于磁场B 中，输入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH 正比于磁感应强度B，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。,图714 开门报警器电路图,4霍尔开关 霍尔开关不但动态特性好，而且环境适应性好，既无机械磨损，又无触点烧蚀缺陷，因而在自动控制及报警器电路中得到广泛应用。图714是一个开门报警器电路。,使用开门报警器时，TL3019霍尔传感器装在门框上，磁铁装在门板上，门关闭时TL3019输出保持低电平；门打开时TL3019输出电平由低变高，此正脉冲经0.1F电容延时后加到TLC555单稳态定时器的控制端5和复位端4上，起动定时器循环控制，使发光管TIL220发光、压电报警器发声，形成声、光报警。图中定时器引脚6和7接1.0F电容和5.1M电阻，决定TLC555的RC 时间常数，即决定声、光报警器发出声、光时间的长短（约5秒）。,第二节 磁敏电阻 磁敏电阻系指利用半导体磁阻效应研制而成的对磁场敏感的元件。如同电阻一样，磁敏电阻也只有两个端子、结构简单，安装方便，因而获得多方面应用。,一、磁阻效应 某些半导体材料在磁场作用下，不但产生霍尔效应，而且其电阻值也随磁场变化，这种现象称之为磁阻效应。引起电阻变化的原因有二，其一是材料的电阻率随磁场增加而增加，称为磁阻率效应；其二是在磁场作用下，通过磁敏电阻电流的路径变长，如图715所示，因而电极间电阻值增加，这种现象称为几何磁阻效应。目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应。,图715 几何磁阻效应示意图（a）L/W1（b）L/W1（c）柯比诺元件,半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关，如图716所示。由于柯比诺元件为盘形元件，其两电极为圆盘中心和圆周边，电流在两电极间流动时，受磁场影响而呈涡旋形流动，霍尔电场无法建立，因而柯比诺元件可以获得最大磁阻效应，但其电阻值太小实用价值不大。将长方形磁阻元件的L/W比值减小，磁阻效应RB/R0也相应增大，但零磁场下的电阻值R0也要变小。,图716 几何形状与磁阻变化特性,为了获得较大的磁阻效应而又有足够大的R0，实际上采用L/W1的多个元件串联，如图717所示平面电极磁敏电阻。,图717 平面电极磁敏电阻,平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟（InSb）半导体薄片上，用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格,这相当于多个L/W1的长方形InSb薄片磁阻元件串联,增加了零磁场电阻R0,片与片之间为金属导体，把霍尔电压短路，不能形成电场力，电子运动方向总是斜的，电阻增加的很多，即可以获得较高的磁阻效应。,3磁阻温度系数 磁阻温度系数是指温度每变化1，磁敏电阻的相对变化量。磁阻元件一般都是用半导体InSb制作，其磁阻受温度影响较大。,图719 两磁阻元件串联 三端差分型InSb电阻,为了改善磁阻温度特性，方法之一是在InSb晶体中掺入一定量的锑化镍NiSb，形成InSbNiSb共晶磁阻元件,但掺杂后将导致磁阻灵敏度下降；方法之二是采用两个磁阻元件串联，组成差动式输出，如图719所示，这种方法不但具有温度补偿功能，而且使灵敏度得到提高。,初态时，将磁铁置于InSb平面电极磁敏电阻中间位置，磁场与InSb受磁平面垂直，此时输出电压为UO；位移时，磁铁沿平面方向X直线左右平移，此时输出电压UO的变化量UO与直线位移量成正比。利用这种原理可以检测微位移或与微位移有关的其它非电量。,图721是由磁敏电阻构成的磁卡读出器原理电路。图中磁敏电阻MSF06本身带有永久磁铁，两磁阻元件MR1和MR2 接成差动输出方式，可实现对磁卡弱磁场的检测。,磁阻式旋转传感器磁阻旋转传感器可以检测磁性齿轴、齿轮的转速，若采用四磁阻元件传感器，还能检测旋转方向。采用双元件磁阻旋转传感器的工作原理图如下：当齿轮的齿顶对准MR1，而齿根对准MR2时，MR1的电阻增加，MR2 不变，U0Uin/2；当齿顶（或齿根）在MR1和MR2之间时，U0Uin/2，输出电压波形见图。,第三节 磁敏二极管 和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管是继霍尔元件和磁阻元件之后发展起来的新型半导体磁敏元件。这种磁敏元件具有很高的磁灵敏度（比霍尔元件高数百至数千倍），可以在较弱磁场下工作，这是霍尔元件和磁阻元件所不及的。它不但能检测磁场的大小和方向，且体积小、测试电路简单，特别适合制作漏磁检测、磁力探伤及无触点磁敏开关。,一、磁敏二极管 1基本结构 磁敏二极管是一种PIN型磁敏元件，由硅或锗材料制成，其结构和电路符号如图722所示。,图中i 区为本征或接近本征半导体(高阻区），亦称本征区；在本征区的两端用合金法制成重掺杂的P+区和N区；在本征区的一侧采用杂质扩散法或喷砂法制成载流子复合速度很高的r（粗糙）区，亦称高复合区；在高复合区相对的另一侧L保持光滑的无复合表面，亦称光滑面。,（a）基本结构（b）电路符号 图722 磁敏二极管结构和电路符号,2工作原理 磁敏二极管是利用磁阻效应进行磁电转换的。磁敏二极管工作时需加正向偏压，即P+区接正、N区接负；此时磁敏二极管电阻大小决定于磁场的大小和方向。当磁敏二极管反向偏置时，将呈现高阻状态，且与磁场的作用无关。图723表示磁敏二极管在正向偏压下，载流子受磁场影响情况。,如图723（a）所示，当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，正偏压使得大多数空穴和电子能够穿过i 区流入N-区和P+区，形成偏流I，只有少数电子和空穴在i 区复合掉。,图723 磁敏二极管载流子受磁场影响（a）无磁场（b）正向磁场（c）反向磁场,如图723（c）所示，当磁敏二极管受到外界反向磁场H作用时，电子和空穴受洛伦兹力的作用向L 面偏转，由于L 面为无复合的光滑面，因而到达光滑面后又反射回i 区，致使i 区载流子浓度增加，于是电阻减小、偏流I 增大。由上分析可见，外加磁场的大小和方向的改变，能引起磁敏二极管电阻或偏流的改变，因而可以实现磁电转换。,如图723（b）所示，当磁敏二极管受到外界正向磁场H+作用时，由正偏压产生的电子、空穴载流子受到磁场的洛伦兹力的作用向r 区偏转，并在r 区迅速复合，致使i 区载流子浓度减小，于是电阻增加、偏流I 减小。,图724 磁敏二极管伏安特性,3主要特性（1）伏安特性 在给定的磁场下，磁敏二极管正向偏压与偏流的关系被称为磁敏二极管的伏安特性。如图724所示。在同一磁场下，加在磁敏二极管上的偏压越大，偏流也越大；在一定的偏压范围内，伏安特性有近似的线性关系。同时，在正向偏压一定时，正向磁场越大、磁阻越大、偏流越小；反向磁扬越大、磁阻越小、偏流越大。,锗磁敏二极管的磁场频率与输出电压的关系曲线。,4温度特性及补偿 由于磁敏二极管是由锗和硅材料制成，因而温度对磁敏二极管性能参数的影响较大，在使用磁敏二极管时，必须采取相应的温度补偿措施，常用的补偿电路如图726所示。,图726 磁敏二极管温度补偿电路,当磁敏二极管单管使用时，可采用与磁敏二极管温度特性相同的热敏电阻串联电路补偿。如图726（a）所示，此时温度引起热敏电阻Rt和磁敏二极管D的电压增量相同，串联分压结果输出电压Uo中无温漂。当采用两只磁敏二极管工作时，可选择两只磁电特性相同的磁敏二极管接成差动半桥的方式补偿。如图726（b）所示，此时两磁敏二极管的磁敏感面应相对或背向放置，即两管感受相反极性的磁场作用，根据差动桥的加减特性，不但可以实现温度自补偿，而且可以提高输出电压的灵敏度。图726（c）是差动全桥补偿电路，四只磁敏二极管具有相同的磁电特性，按照相邻桥臂磁极性相反的原则接入四个桥臂上，此时不但具有温度自补偿，而且电桥输出电压的灵敏度更高。,二、磁敏三极管 1基本结构 磁敏三极管是在磁敏二极管基础上发展起来的磁敏晶体管，由Si或Ge材料经掺杂扩散而成硅管或锗管，亦有NPN型和PNP型，图727表示NPN型磁敏三极管的基本结构和电路符号。,如图727（a）所示，与集电极c、发射极e和基极b相联的分别称之为集电区、发射区和基区，在本征区i 的一侧形成高复合率的复合区r，在r 区的对面仍保持无复合的光滑面。,（a）基本结构（b）电路符号 图727 NPN磁敏三极管基本结构和符号,2工作原理 磁敏三极管亦是利用半导体的磁阻效应进行磁电转换的。磁敏三极管工作时，如同双极型三极管一样，需要在基极与发射极间加正向偏压，而在基极与集电极间加反向偏压，此时磁敏三极管中载流子的运动决定于外加磁场的大小和极性，如图728所示。磁敏三极管的基区可以分为两个：从发射极注入的载流子输运到集电极的输运基区；从发射极和基极注入的载流子复合的复合基区。,在图728（a）中，当磁敏三极管未受外加磁场作用时，由于磁敏三极管基区宽度大于载流子有效扩散长度，由发射区发射的电子只有一小部分扩散到集电区，而大部分电子在正偏压作用下穿过i 区到达基区，（主要是漂移电流）形成较大的基极电流Ib，此时IbIC，=IC/Ib1。,图728 磁敏三极管载流子受磁场影响（a）无磁场（b）正向磁场（c）反向磁场,在728（b）中，当磁敏三极管受到外界正向磁场 H+作用时，由发射区发射的电子在i 区受到磁场洛伦兹力FL作用，向集电区一侧偏转，使集电极电流IC 增加（三极管导通），基极电流Ib 减小，此时ICIb，=IC/Ib1。在728（c）中，当磁敏三极管受到外界反向磁场 H作用时，由发射区发射的电子在i 区受到磁场洛伦兹力FL作用，向高速高复合的r区偏转，使IC 和Ib 都显著减小。（三极管截止）,由上分析可见，即使基极电流Ib恒定，磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流IC 发生显著变化，这是与普通三极管不同的地方。因而磁敏三极管可用来实现磁电转换。,3主要特性（1）伏安特性 磁敏三极管的伏安特性类似于普通双极型三极管的伏安特性，如图729所示。图中（a）表示无磁场作用时的伏安特性曲线，此时集电极电流IC 主要受基极电流Ib 的影响，即发射结正向偏压越大，偏流Ib 越大，则IC 亦越大；而集、射电压Uce对IC 基本无影响。此时IbIC，即=IC/Ib1，这一点与普通三极管不同。即磁敏三极管长基区特征。图中（b）表示有磁场作用时的伏安特性曲线，此时当Ib一定时，IC 的大小决定于磁场的大小和极性。,a）B=0（b）B0 图729 磁敏三极管伏安特性,(2）磁电特性 磁电特性是磁敏三极管最重要的工作特性，它反映外加磁场对磁敏三极集电极电流IC 的影响，图730表示NPN型锗管的磁电特性。由图可知，磁敏三极管在正向磁场下输出电流的灵敏度大于在反向磁场下的灵敏度，且在弱磁场下具有近似的线性关系。不同类型的磁敏三极管具有各自不同的磁电特性及其线性工作范围，使用时应根据电路的需要选择磁敏三极管。,图730 NPN型锗管磁电特性,图731（a）是采用具有电流正温度系数的普通硅三极管V，补偿具有电流负温度系数的硅磁敏三极管Vm的集电极电流的温漂。图731（b）是采用具有电流正温度系数的锗磁敏二极管Dm，作具有集电极电流负温度系数的硅磁敏三极管Vm负载，补偿磁敏三极管输出电压的温漂。,图731（c）是采用PNP和NPN组成两管互补式补偿电路，如果两管集电极电流温度特性完全一致，则集电极输出电压不产生温漂。图731（d）是采用两管差动输出方式，要求两管磁极性相反，但磁电特性一致。这种电路不但可以实现温度自补偿，而且可以提高磁灵敏度。,(c)(d)图731 磁敏三极管温度补偿电路,三、磁敏管的应用 相对于其它磁敏器件，磁敏管不但具有很高的磁灵敏度，同时能识别磁场极性；而且体积小、功耗低，因而具有广泛的应用前景。可以用于交、直流磁场的检测，特别适用于106 T以下弱磁场的检测；可制作钳形电流表，对高压大电流进行不断线检测；制作无触点开关或接近开关等。尤其是磁敏三极管，其磁灵敏度比磁敏二极管大十多倍，且动态性能好，噪声小，是一种很有发展前途的新型半导体磁敏器件。,磁敏三极管的磁灵敏度较高，很适合与检测微弱磁场的变化，通常可测量0.1T左右的弱磁场。利用磁敏三极管磁灵敏度高的特点，可以做漏磁探伤仪、地磁探测仪等。例如，用磁敏三极管做探头，对被测棒材表面进行探测，如图，钢棒被磁化表面无缺陷时，探头附近没有漏磁通，因而探头没有输出信号，一旦棒材有缺陷，缺陷处的漏磁通将作用在磁敏管探头上，使其产生输出信号。,思考与练习题 1霍尔效应及霍尔电压？2磁敏电阻的几何磁阻效应？3磁敏二极管磁敏三极管的基本结构及其工作原理？4.若一个霍尔器件的KH=4mv/mAkGs,控制电流I=3mA,将它置于1Gs5kGs变化的磁场中（设磁场与霍尔器 件平面垂直），它的输出霍尔电势范围多大？并设计 一个20倍的比例放大器放大该霍尔电势。（画出电路 图）5.压电效应及压电材料？6.为什么石英晶体在Z轴方向力作用下不产生压电效应？7.试简述压电陶瓷的纵向压电效应？,
