传感器原理及应用第5章磁敏传感器.ppt

第5章 磁敏传感器,第5章 磁敏传感器,概述,霍尔元件,半导体磁阻器件,结型磁敏器件,铁磁性金属薄膜磁阻元件,压磁式传感器,新型磁传感器,5.1 概述,霍尔元件磁场测量电流测量转速测量强磁体薄膜磁阻器件 位移测量角位移测量流量、转速测量半导体磁阻器件微弱磁场测量脉冲测量,5.2 霍尔元件,霍尔效应,霍尔元件基本结构,霍尔元件基本特性,霍尔元件基本特性,霍尔元件不等位电势补偿,霍尔元件温度补偿,霍尔集成电路,霍尔式传感器的应用,5.2 霍尔元件,图 51 霍尔实验,半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势；半导体薄片称霍尔元件,5.2 霍尔元件,图 52 霍尔效应,霍尔效应是半导体中自由电荷受到磁场中洛仑兹力而产生的。,洛仑兹力为：f1=evB 式中 e电子电量；v电子运动速度 B磁场的磁感应强度。,在洛仑兹力的作用下，半导体一边产生负电荷，一边积聚正电荷，产生一静电场霍尔电场，作用于电子的阻力为 式中 霍尔电场；霍尔元件宽度。,5.2 霍尔元件,由于电流强度为=jbd=-nevdb其中，d 霍尔元件厚度，得电子运动速度为,因为流过霍尔元件的电流密度与电子运动速度v有关，其关系为 j=-nev 其中，n为单位体积中的电子数。,当电子积累达到动态平衡时，两作用力相等，即 所以有：（54）,5.2 霍尔元件,代入霍尔电势公式（-2），得（5-7）,若霍尔元件采用 型半导体材料，则上式变为 其中，为单位体积内的空穴数。,5.2 霍尔元件,则 UH=KHIB（5-8）由上式可知，霍尔传感器的灵敏度是在单位磁感应强度B=1和单位控制电流I=1作用下，所产生的霍尔电势。,令：，则：其中 称为霍尔系数。显然霍尔系数由半导体材料性质决定，它影响霍尔电势的大小。由此可导出灵敏度如下,5.2 霍尔元件,可以推导出：RH=其中为电子迁移率；为材料的电阻率金属材料和绝缘材料不适合用于制作霍尔元件霍尔元件越薄（即d越小），霍尔传感器的灵敏度KH越高。但过薄的元件会使输入、输出电阻增大。,5.2 霍尔元件,磁场与元件法线的夹角UHKHIBcos元件的几何形状(形状效应因子f(l/b)）UHKHIBf(l/b),5.2.2 影响霍尔效应的因素,图 54 元件尺寸l/b与f(l/b)的关系曲线,5.2.2 影响霍尔效应的因素,控制电极对UH的短路作用,图 55 UH 随x的变化曲线,霍尔元件基本结构,5.2.3 霍尔元件基本结构,图 56 霍尔元件的基本结构,额定激励电流和最大允许激励电流输入电阻和输出电阻不等位电势和不等位电阻寄生直流电势霍尔电势温度系数乘积灵敏度KH（V/A T）磁灵敏度SB（V/T）,5.2.4 霍尔元件基本特性,额定激励电流和最大允许激励电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10温升时，对应的控制电流值。最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应的控制电流值。输入电阻Ri和输出电阻Ro Ri控制电极之间的电阻值；Ro霍尔电极之间的电阻。,5.2.4 霍尔元件基本特性,不等位电势UO和不等位电阻rO 在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡电势UO。不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻ro。,5.2.4 霍尔元件基本特性,寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分 当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势。原因：1.控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。2.两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势。霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电势变化的百分率，称霍尔温度系数，单位：1。,5.2.4 霍尔元件基本特性,乘积灵敏度KH（V/A T）KH=UH/(IC*B)磁灵敏度SB（V/T）额定控制电流IC作用下：SB=UH/B,5.2.4 霍尔元件基本特性,霍尔输出电势与控制电流(直流或交流)之间的关系(即UHI特性)。控制电流灵敏度KIUH/I(=KHB),5.2.5 霍尔元件基本特性,图 57 电流I与霍尔电势UH关系曲线,霍尔输出电势与直流控制电压之间的关系(即UHV特性)I=V/R=Vbd/(l)UH=KHIBf(l/B)=(b/l)BVf(l/B)(KH=RH/d)可见，UH与电压V成正比，与元件几何宽长比b/l成正比。这与几何因子的变化趋势相反。,5.2.5 霍尔元件基本特性,霍尔输出与磁场(恒定或交变)之间的关系(即UHB特性)当B0.5T(即5000Gs)时，呈现较好的线性,5.2.5 霍尔元件基本特性,图 57 霍尔元件的开路输出与磁感应强度关系曲线,元件的输入或输出电阻与磁场之间的关系(即R一B特性)霍尔元件的内阻随磁场强度的增加而增加，即存在所谓磁阻效应,5.2.5 霍尔元件基本特性,图 58 霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场关系曲线,输入信号:I.B或者I或者B,1、基本测量电路,2、连接方式,除了霍尔元件基本电路形式之外，在需要获得较大的霍尔电势时可串接使用。,3、霍尔电势的输出电路,霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，实际使用时必须加差分放大器，霍尔元件可分为线性测量和开关状态两种使用方式。,当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度较低、不等位电势小、稳定性和线性区优良的霍尔元件。,霍尔传感器开关应用,3、霍尔电势的输出电路,四、霍尔元件的测量误差和补偿方法,1、测量误差：零位误差、温度误差原因：一是半导体固有特性；一为半导体制造工艺的缺陷。,2、零位误差及补偿方法零位误差：是霍尔元件在加控制电流但不加外磁场时，出现的霍尔电势称为零位误差。,原因：由制造霍尔元件的工艺问题造成，使元件两侧的电极难于焊在同一等电位上。,5.2.6 霍尔元件不等位电势补偿,图 510 不等位电势补偿电路,温度误差：霍尔元件的内阻（输入、输出电阻）随温度变化。原 因：由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流于浓度等都会随温度变化而变化。补偿方法：利用输出回路的并联温敏电阻进行补偿 利用输入回路的串联电阻进行补偿,5.2.7 霍尔元件温度补偿,输出回路并联温敏电阻（控制电流恒定）,0C时：UH、RT,而RL，相互抵消,保持不变,5.2.7 霍尔元件温度补偿,补偿电阻值确定,式中 霍尔电势温度系数；霍尔元件电阻温度系数；工作环境温度。,5.2.7 霍尔元件温度补偿,输入回路串联电阻（控制电压恒定）,0C时：UH、Ri,而R，相互抵消,保持不变,5.2.7 霍尔元件温度补偿,串联电阻值确定,式中 霍尔电势温度系数；霍尔元件输入电阻温度系数；在环境温度下的内阻值。,5.2.7 霍尔元件温度补偿,双霍尔元件补偿法(图 511)霍尔元件输出电阻的温度补偿,图 512 霍尔元件的输出电阻对测量的影响,5.2.7 霍尔元件温度补偿,开关型霍尔集成传感器 开关型霍尔集成传感器的结构及工作原理,5.2.8 霍尔集成电路,图 514 开关型霍尔集成传感器的内部电路及框图,5.2.8 霍尔集成电路,图 515 开关型霍尔集成传感器的外形及典型接口电路,开关型霍尔集成传感器的工作特性,5.2.8 霍尔集成电路,图 516 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线,图 517 双稳态型传感器的工作特性曲线,5.2.8 霍尔集成电路,霍尔线性集成传感器 霍尔线性集成传感器的结构和工作原理,5.2.8 霍尔集成电路,图 518 单端输出线性霍尔集成传感器,5.2.8 霍尔集成电路,图 519 双端输出线性霍尔集成传感器,5.2.8 霍尔集成电路,霍尔线性集成传感器的结构和工作原理,图 520 单端输出特性,5.2.8 霍尔集成电路,图 521 双端输出特性,5.2.9 霍尔式传感器的应用,微位移和压力的测量,图 522 霍尔式传感器结构原理图1-弹簧管；2-磁铁，3-霍尔片,5.2.9 霍尔式传感器的应用,位移量较小，适于测量微位移和机械振动,产生梯度磁场的示意图,5.2.9 霍尔式传感器的应用,图 5-23 霍尔加速度传感器结构原理图,加速度的测量,在控制电流恒定条件下，霍尔电势大小与磁感应强度成正比，由于霍尔元件的结构特点，它特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。,霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器,5.2.9 霍尔式传感器的应用,磁场的测量,电流测量,5.2.9 霍尔式传感器的应用,5.3 半导体磁阻器件,磁阻效应,磁阻元件,磁敏电阻的应用,基于磁阻效应的磁敏元件。应用范围：磁场探恻仪、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 当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这种现象被称为磁阻效应。分为物理磁阻效应和几何磁阻效应。,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。,5.3 半导体磁阻器件,设电阻率变化为，则(5-31),式中 磁感应强度为B时的电阻率；零磁场下的电阻率；电子迁移率。,可见，磁场一定，迁移率越高的材料其磁阻效应越明显。公式（5-31）是在不考虑元件形状下推得的，若考虑元件形状，有：式中f(L/b)称为形状系数。,5.3.1 磁阻效应,5.3.1 磁阻效应,物理磁阻效应当通有电流的霍尔片放在与其垂直的磁场中，截流子的速度大于或小于平均速度，载流子的运动方向都 会发生偏转，其结果是沿着x方向（外电场方向）的电流密度减小，电阻率增大，这种现象称为物理磁阻效应。又称为横向磁阻效应。,5.3.1 磁阻效应,几何磁阻效应 相同磁场作用下，由于半导体几何形状不同而出现电阻值不同变化的现象,图 524 几何磁阻效应实验结果,作用机理,5.3.1 磁阻效应,图 525 两种载流子的磁电阻效应图,5.3.1 磁阻效应,图 526 不同形状样品磁电阻效应图（a）长方形（lw）(b)长方形（lw）（c）科比诺圆盘,5.3.2 磁阻元件,长方形磁敏电阻元件,栅格磁敏电阻一高灵敏电阻,科宾诺元件,5.3.2 磁阻元件,InSbNiSb共晶磁阻元件(锑化铟-锑化镍),图 530 InsbNisb共晶磁阻元件,5.3.2 磁阻元件,三种元件的磁阻效应,三种元件的磁阻和温度的关系,5.3.2 磁阻元件,图 5-31 磁阻和温度的关系,磁敏电阻的温度补偿两个磁敏电阻串联一个热敏电阻与磁敏电阻,5.3.2 磁阻元件,图 5-32 差动式元件温度补偿,5.3.3 磁敏电阻的应用,非接触式交流电流监视器,图 533 非接触式交流电流监视器电路,5.3.3 磁敏电阻的应用,图 534 用MS-F06测量交流电流,电机转速测量电路,5.3.3 磁敏电阻的应用,图 535 采用磁敏电阻测量电机转速电路,5.4 结型磁敏器件,磁敏二极管,磁敏三极管,5.4.1 磁敏二极管,磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的温度补偿电路磁敏二极管的应用举例,磁敏二极管的结构,5.4.1.1 磁敏二极管的工作原理,图 536 磁敏二极管的结构和电路符号(a)结构;(b)电路符号,5.4.1.1 磁敏二极管的工作原理磁敏二/三极管是PN结型的磁电转换元件,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PN之间有一个较长的本征区I，本征区的一面磨成光滑的复合表面(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。当通以正向电流后就会在P、I、N结之间形成电流。由此可知，磁敏二极管是PIN型的。,5.4.1.1 磁敏二极管的工作原理2、工作原理,利用半导体中载流子的复合作用为机理制成。,当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏压，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，形成电流。只有少量电子和空穴在I区复合掉。,未加磁场,5.4.1.1 磁敏二极管的工作原理2、工作原理,加磁场B+,当磁敏二极管受到外界磁场B+（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，因此，形成的电流因复合速度增快而减小。,5.4.1 磁敏二极管2、工作原理,加磁场B-,当磁敏二极管受到外界磁场B-（反向磁场）作用时，电子、空穴受到洛仑兹力作用而向I区偏移，由于电子与空穴的复合率明显变小，则电流变大。,利用磁敏二极管在磁场强度的变化下，其电流发生变化，于是就实现磁电转换。,5.4.1.2 磁敏二极管的主要特征,伏安特性（给定磁场）,图 538 磁敏二极管伏安特性曲线（a）锗磁敏二极管（b）、（c）硅二极管,磁电特性,5.4.1.2 磁敏二极管的主要特征,图 539 磁敏二极管的磁电特性曲线（a）单个使用时（b）互补使用时,温度特性,5.4.1.2 磁敏二极管的主要特征,图 540 磁敏二极管温度特性曲线(单个使用时),频率特性磁灵敏度:有三种定义,5.4.1.2 磁敏二极管的主要特征,图 541 锗磁敏三极管频率特性,温度补偿电路,5.4.1.3 磁敏二极管的温度补偿电路,图 532 温度补偿电路,互补式温度补偿电路全桥电路差分式电路热敏电阻补偿电路,5.4.1.3 磁敏二极管的温度补偿电路,互补式 选择两只性能相近的磁敏二极管，按相反极性组合，即将它们面对面（或者背对背）。,5.4.1.3 磁敏二极管的温度补偿电路,互补式电路的补偿原理,5.4.1.3 磁敏二极管的温度补偿电路,差分式 差分电路不仅能很好地实现温度补偿、提高灵敏度，而且，还可以弥补互补电路的不足(具有负阻现象的磁敏二极管不能用作互补电路）。,5.4.1.3 磁敏二极管的温度补偿电路,全桥式 全桥电路是将两个互补电路并联而成。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，因此，给使用带来一定困难。,5.4.1.3 磁敏二极管的温度补偿电路,热敏电阻补偿利用热敏电阻随温度的变化，使分压系数不变，成本较低，常用。,5.4.1.4 磁敏二极管的应用举例,图 543 无触点电位器的结构示意图,5.4.2 磁敏三极管,磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的主要特性 磁敏二极管和磁敏三极管的应用 常用磁敏管的型号和参数,磁敏三极管是在弱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。,5.4.2.1 磁敏三极管的结构与原理三、磁敏三极管的结构和工作原理,1、磁敏三极管的结构,5.4.2.1 磁敏三极管的结构与原理,磁敏三极管的工作原理,图 545 磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=H+;(c)H=H-,5.4.2.1 磁敏三极管的结构与原理,未加磁场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eIb，形成基极电流；少数载流子输入到c极。因而形成了基极电流大于集电极电流的情况，使,5.4.2.1 磁敏三极管的结构与原理,加B+磁场 由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降。,5.4.2.1 磁敏三极管的结构与原理,加B-磁场当反向磁场作用时，在其作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。,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，这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。,伏安特性,5.4.2.1 磁敏三极管的主要特性,图 546 磁敏三极管伏安特性曲线,磁电特性,5.4.2.1 磁敏三极管的主要特性,图 547 3BCM磁敏三极管电磁特性,温度特性,图 548 3BCM磁敏三极管的温度特性(a)基极电源恒压(b)基极恒流,5.4.2.1 磁敏三极管的主要特性,频率特性磁灵敏度,5.4.2.3 磁敏三极管的主要特性,5.4.2.1 磁敏三极管的主要特性,5.4.2.4 磁敏二极管和磁敏三极管的应用,5.4.2.4 常用磁敏管的型号和参数,表 51 3BCM型锗磁敏三极管参数表,5.4.2.4 常用磁敏管的型号和参数,表 52 3CCM型硅磁敏三极管参数表,5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件,铁磁体中的磁阻效应,sin2+cos2,/0(-)/0,5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件,铁磁薄膜磁敏电阻的结构与工作原理,图 549 铁磁薄膜磁敏电阻结构及工作原理,5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件,图 550 强磁性金属膜四端磁敏电阻结构,5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件,铁磁薄膜磁敏电阻的技术性能及特点,5.6 压磁式传感器,压磁式(又称磁弹式)传感器是一种力电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。压磁效应 在铁磁性材料的微观结构中，小范围内电子自旋元磁矩之间的相互作用力使相邻电子元磁矩的方向一致而形成磁畴。磁畴之间相互作用很小。从宏观上看，在没有外磁场作用时，各磁畴相互平衡，总磁化强度为零。在有外磁场作用时，各磁畴的磁化强度矢量都转向外磁场方向，使总磁化强度不为零，直至达到饱和。在磁化过程中各磁畴的界限发生移动，因而使材料产生机械变形。这种现象称为磁致伸缩效应。反之，在外力的作用下材料内部产生应力，使各磁畴间的界限移动，从而使磁畴的磁化强度矢量转动，引起材料的总磁化强度发生相应变化。这种现象称为压磁效应。如果产生压磁效应的作用力是拉力，那么沿作用力方向的导磁率就提高，而在其垂直方向上，导磁率略有降低。反之，该作用力为压力时，其效果相反。,5.6 压磁式传感器,压磁式传成器的基本原理,图 551 压磁式传感器工作原理,在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，在孔1、2间绕有激励绕组N12，孔3、4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流电流时，铁心中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域,5.6 压磁式传感器,压磁式传成器的基本原理,图 5-51 压磁式传感器工作原理,在无外力作用的情况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势,5.6 压磁式传感器,压磁式传成器的基本原理,图 5-51 压磁式传感器工作原理,在压力F作用下，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。,压磁传感器的主要特性激磁绕组的安匝特性输出特性频率响应测量误差,5.6 压磁式传感器,压磁式传感器的应用举例,5.6 压磁式传感器,图 552 压磁式压力传感器结构,5.7 新型磁传感器,MOS磁敏器件,图 553 分漏磁敏MOS管工作原理,图 554 CMOS磁敏管原理图,5.7 新型磁传感器,图 555 CMOS管输出电压与磁感应强度关系曲线,5.7 新型磁传感器,图 556 两只互补SD-MOSFET的CMOS磁敏器件等效电路,5.7 新型磁传感器,高分辨率磁性旋转编码器,5.7 新型磁传感器,图 557 磁性编码器的结构示意图,5.7 新型磁传感器,5.7 新型磁传感器,涡流传感器,5.7 新型磁传感器,图 560 谐振电路,韦根德磁敏器件,图 561 韦根德丝的两种磁化状态,图 562 韦根德丝触觉传感器,5.7 新型磁传感器,磁通门传感器,图 563 环形铁心磁通门,5.7 新型磁传感器,表 53 部分永磁材料的技术参数,5.7 新型磁传感器,