传感器检测技术磁敏传感器.ppt

磁敏传感器 霍尔传感器的应用 霍尔电势大小与磁场强度B和控制电流I二者的乘积成正比。实用中可以把I或B作为输入信号，或两者同时作为输入信号。 霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型和开关量输出型两种。 1)线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与通过的磁场强度B成线性比例关系。用于磁场检测等场合。 磁敏二极管和磁敏三极管的应用 磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗很小，能识别磁场极性。 可用于磁场探测仪器—如漏磁测量仪、地磁测量仪等。 由于通电导线周围具有磁场，磁场的强弱取决于通电导线中电流大小，利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流。 利用磁敏管制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速)，可制成无触点电位器和漏磁探伤仪等。 霍尔传感器基于霍尔效应。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在很长一段时间内没有步入实用阶段。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。 早在19世纪70年代，发现了霍耳效应。 由于霍耳效应十分微弱，致使很长一段时间来没有步入实用阶段。及至20世纪50年代末，随着三、五价化合物半导体材料的开发，才找到了电子迁移率非常大的新材料〔诸如：锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）等〕，成为霍耳器件制造所必需的新材料，从而使霍耳器件进入了广泛的应用时代。随着导体生产工艺的飞跃发展，霍耳器件水平也大大提高，并发展到单晶、多晶薄膜化和硅霍耳集成化阶段。 * 由于金属的电子浓度很高且电阻率很小，所以其霍耳系数、磁灵敏度都很小，因而不宜于制作霍耳器件；另外，器件的厚度越薄，灵敏度KH也越大，故而制作霍耳器件时，常采用减小厚度d的办法来增加灵敏度，也就是说，霍耳器件薄膜化是提高灵敏度的一个途径。但是值得注意一点是：不能认为d越薄越好。因为越薄将会增加霍耳器件的输入和输出阻抗从而增加功耗，这对电子迁移率不大的Ge材料来说是不适当的。 当控制电流或磁场方向换向时，霍耳电势方向也随之换向。若电流和磁场同时改变方向时，霍耳电势并不改变原来的方向。这就是说，霍耳器件的电流控制极和霍耳电势输出极具有对称性，不存在正、负之分，它们对磁场具有大小相等的正、反磁灵敏度。 * 温度对半导体的各种特性均有很大影响，霍耳器件也不例外。 Ln—稀土元素 * 这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。图2.6-8所示为涡流的分布情况。由于元件电流极的短路作用，涡流可分解成上、下两部分，即大小相等而方向相反的电流流动（见图），该涡流的频率与外加磁场频率相同，相移为π/2。 图2.6-9 控制电流周围磁场引起的霍耳效应 图2.6-8 交变磁场作用下霍耳器件的涡流分布 涡流的存在会影响霍耳输出，这是因为：一方面涡流本身可感应出附加磁场作用于器件上（其频率与原磁场的相同，但相移为π/2），该磁场与控制电流作用产生一个附加的霍耳电势（与原霍耳电势同频，但相移π/2）；另一方面，如果器件被置于具有狭气隙的导磁材料中，由本身控制电流引起的感应磁场，也要对涡流产生霍耳作用（如图2.6-9所示），使涡流上、下两部分的霍耳效应互相增强，结果也产生一附加霍耳电势（其频率与原磁场相同，并叠加到总霍耳电势上）。由于上述电、磁相互作用，必然使总的霍耳电势增加。 * 霍耳磁敏传感器被放在待测磁场中，器件的控制电流由电池E供给，调节电位器W来控制电流保持不变，这时的霍耳输出就反映了磁场的大小。霍耳输出用电流表或电位差计指示。控制电流可藉直流电或交流电获得。用交流时，对于恒定磁场的霍耳输出亦为交流并便于放大同时温差电势的影响亦可略去不计。 倘使磁场方向不知道，用霍耳器件测量也很方便。若霍耳器件平面的垂线与磁场的方向线成角斜交，则器件的霍耳电势应为： * 霍耳开关集成传感器的原理及工作过程可简述如下：当有磁场作用在传感器上时，根据霍耳效应原理，霍耳元件输出霍耳电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管V导通，且具有吸收电流的负载能力，这种状态我们称它为开状态。当磁场减弱时，霍耳元件输出的VH电压很小，经放大器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形器再次翻转，输出低电平，使半导体管V截止，这种状态我们称它为关状态。这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。。 * 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线，反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感应强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感应强度低于BR