传感器原理及应用 磁敏传感器

概述
5.2 霍尔元件
1
霍尔效应
2
霍尔元件基本结构
3
霍尔元件基本特性
4
霍尔元件基本特性
5 霍尔元件不等位电势补偿
6
霍尔元件温度补偿
7
霍尔集成电路
8
霍尔式传感器的应用
5.2 霍尔元件
图 5-1 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
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。
5.3.1 磁阻效应
B0(10.27 2B 32)
式中 —B —磁感应强度为B时的电阻率；
u 两个磁敏电阻串联 u 一个热敏电阻与磁敏电阻
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 5-33 非接触式交流电流监视器电路
5.3.3 磁敏电阻的应用
图 5-34 用MS-F06测量交流电流
5.3.3 磁敏电阻的应用 ❖ 电机转速测量电路
图 5-35 采用磁敏电阻测量电机转速电路
5.2 霍尔元件 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。
图 5-2 霍尔效应
5.2 霍尔元件
洛仑兹力为： f1 =ev×B
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
图 5-7 霍尔元件的开路输出与磁感应强度关系曲线
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖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
图 5-8 霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场关系曲线
▪1、基本测量电路
输入信号: I.B或者I或者B
5.2.5 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UH—I特性)。 控制电流灵敏度KI＝UH/I(=KHB)
图 5-7 电流I与霍尔电势UH关系曲线
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖霍尔输出电势与直流控制电压之间的关系 (即UH—V特性) I=V/R=Vbd/(ρl)
图 5-19 双端输出线性霍尔集成传感器
5.2.8 霍尔集成电路
Ø 霍尔线性集成传感器的结构和工作原理
图 5-20 单端输出特性
5.2.8 霍尔集成电路
图 5-21 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 5-22 霍尔式传感器结构原理图 1-弹簧管；2-磁铁，3-霍尔片
❖ 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 5-24 几何磁阻效应实验结果
❖ 作用机理
5.3.1 磁阻效应
图 5-25 两种载流子的磁电阻效应图
5.3.1 磁阻效应
图 5-26 不同形状样品磁电阻效应图
（a）长方形（l＞＞w）(b) 长方形（l≤w）（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
5.2.9 霍尔式传感器的应用
产生梯度磁场的示意图
▪位移量较小，适于测量微位移和机械振动
5.2.9 霍尔式传感器的应用 ❖ 加速度的测量
图 5-23 霍尔加速度传感器结构原理图
5.2.9 霍尔式传感器的应用 ❖ 磁场的测量
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。
v I nebd
5.2 霍尔元件
代入霍尔电势公式（５-2），得
UH
1 IB ned
（5-7）
▪若霍尔元件采用 p型半导体材料，则上式变为
UH
1 IB ped
▪其中，p为单位体积内的空穴数。
5.2 霍尔元件
令： RHn1e 或R，H则p：1e
UH
RH
IB d
其中 RH 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
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。
Ø 开关型霍尔集成传感器的工作特性
图 5-16 霍尔开关集成传感器的工作特性曲线
5.2.8 霍尔集成电路
图 5-17 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
Ø 霍尔线性集成传感器的结构和工作原理
图 5-18 单端输出线性霍尔集成传感器
5.2.8 霍尔集成电路
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第5章 磁敏传感器
第5章 磁敏传感器
5.1
概述
5.2
霍尔元件
5.3
半导体磁阻器件
5.4
结型磁敏器件
5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件
5.6
压磁式传感器
5.7
新型磁传感器
5.1
§ 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
3、霍尔电势的输出电路 霍尔传感器开关应用
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：①一是半导体固有特性；
②一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。
5.2.7 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
RL
RT0
式中 ——霍尔电势温度系数；
——霍尔元件电阻温度系数； RT 0 ——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
R()R it0(1t)
式中
Rito
——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
v 双霍尔元件补偿法 (图 5-11 ) ❖ 霍尔元件输出电阻的温度补偿
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α
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α，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
式中
——霍尔电场； ——霍尔元件宽度。
5.2 霍尔元件
当电子积累达到动态平衡时，两作用力相等，即
所以有：
（5－4）
▪ 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。
▪ 由于电流强度为Ｉ=jbd=-nevdb
▪其中，d 霍尔元件厚度，得电子运动速度为
图 5-5 UH 随x的变化曲线
5.2.3 霍尔元件基本结构
❖ 霍尔元件基本结构
图 5-6 霍尔元件的基本结构
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 ❖ 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）
Байду номын сангаас
RR0(1T)
Ui IiRUH1
图 5-12 霍尔元件的输出电阻对测量的影响
5.2.8 霍尔集成电路
❖ 开关型霍尔集成传感器
Ø 开关型霍尔集成传感器的结构及工作原理
图 5-14 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 5-15 开关型霍尔集成传感器的外形及典型接口电路
5.2.8 霍尔集成电路
——0 零磁场下的电阻率；
——电子迁移率。
设电阻率 0变化0.2为73 2 B2 BK (0B)2
，则 (5-31)
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： 0 K(B)21fbL
式中f(L/b)称为形状系数。
5.3.1 磁阻效应
如下
KH
RH d
▪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。
5.2 霍尔元件
可以推导出：RH =μρ 其中μ为电子迁移率；ρ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
5.4 结型磁敏器件
1
磁敏二极管
2
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
越高。但过薄的元件会使输入、输出电阻增大。
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 磁场与元件法线的夹角 UH＝KHIBcosα
❖元件的几何形状 (形状效应因子f(l/b)） UH＝KHIBf(l/b)
图 5-4 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
UH=KHIBf(l/B)=μ(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UH—B特性)
当B<0.5T(即5000Gs) 时，呈现较好的线性
UHKHBcIos
❖ 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 ❖ 电流测量
5.3 半导体磁阻器件
1
磁阻效应
2
磁阻元件
3
磁敏电阻的应用
5.3 半导体磁阻器件
——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
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。
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。
5.2.6 霍尔元件不等位电势补偿
图 5-10 不等位电势补偿电路
5.2.7 霍尔元件温度补偿
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： ① 利用输出回路的并联温敏电阻进行补偿 ② 利用输入回路的串联电阻进行补偿
❖ 科宾诺元件
5.3.2 磁阻元件 ❖ InSb—NiSb共晶磁阻元件(锑化铟-锑化镍)
图 5-30 Insb—Nisb共晶磁阻元件
5.3.2 磁阻元件
❖ 三种元件的磁阻效应
5.3.2 磁阻元件 ❖ 三种元件的磁阻和温度的关系
图 5-31 磁阻和温度的关系
5.3.2 磁阻元件 ❖ 磁敏电阻的温度补偿