传感技术(4磁敏)1解读.ppt

4 磁敏传感器 磁敏传感器指电参数随磁性量变化的传感器。 磁敏传感器主要是利用霍尔效应原理和磁阻效应原理构成的。磁敏传感器的敏感元件有霍尔元件、磁阻元件、磁敏晶体管和磁敏集成电路。 4.1磁敏传感器的物理基础——霍尔效应、磁阻效应、形状效应 4.1.1霍尔效应 1879年物理学家Hall首先观察到将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向上将会出现横向电动势，这一现象称为霍尔效应，相应的电势称为霍尔电动势。 4.2 霍尔元件 4.2.1霍尔元件的工作原理——霍尔效应 如图4.1所示，给半导体的-X方向加一电流I，Z方向加一磁场B，半导体中的载流子（设为电子）将受到电场力的作用向X方向运动。由于磁场B的作用对运动电子产生洛仑兹力，在电场力和洛仑兹力作用下，运动电子向-Y方向偏转运动。结果在-Y 平面上堆积负电荷，而+Y平面堆积正电荷，半导体内部产生横向电场Ey。当电子受到的洛仑兹力和Ey电场力相平衡时，运动电子的偏转运动会停止。稳定状态下，半导体Y向两侧面的正负电荷的相对积累，形成电动势。这个电动势称为霍尔电势。 4.2.2霍尔元件的结构 霍尔片：矩形半导体薄片，一般为N型的锗、锑化铟和砷化铟、砷化镓等单晶材料。 引线：控制电流引线1、1 ’ ，霍尔电势输出引线2、2’。 壳体：非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 霍尔元件的表示符号如下图所示： 4.2.3霍尔元件的主要技术参数 （1）输入电阻Rsr：霍尔元件控制电流极间的电阻。 （2）输出电阻Rsc：霍尔电压极间电阻。 （3）额定控制电流Ic：使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。 Ic的大小与霍尔元件的尺寸有关，尺寸越小， Ic越小，一般为几微安~几十微安。 （4）不等位电动势U0：霍尔元件在额定控制电流作用下，不外加磁场时，其霍尔电压电极间的电动势。它主要与两个电极不在同一等位面上及其材料电阻率不均等因素有关。 U0：一般不大于10mV。 U0越小越好。 （5）不等位电阻r0：霍尔元件的不等位电动势U0与控制电流之比。 r0越小越好。 （6）灵敏度KH：灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电势。 （7）霍尔电势温度系数α：温度每变化1 ℃霍尔电势变化的百分数。若测量仪表要求精度高，要选择α值小的元件，必要时还要加温度补偿电路。 （8）寄生直流电动势vg：不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电势极间产生的直流电动势。它主要是由电极与基片之间非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。 （9）内阻温度系数β ：温度每变化1 ℃霍尔元件材料的电阻变化的百分率。 （10）热阻RQ：霍尔器件的功耗增加 1W时，霍尔器件升高的温度为它的热阻。热阻的大小反映了霍尔器件散热的难易程度，其单位是℃ ／W． 在实际应用中，霍尔元件可以在恒流条件或恒压条件下工作，采用什么方式，视用途而定。 1.恒压工作方式 恒压工作的接法如图所示： 2.恒流工作方式 恒流工作方式的接法见图4.6： 4.2.5霍尔元件的电势放大电路 霍尔元件的输出电压一般为毫伏级，应用时必须放大。放大电路的基本形式是差动放大，可以是单运放，也可以是三运放。见图4.7。 若霍尔元件的输出为交流信号，则可使用图4.8所示的电路形式。 4.2.6霍尔元件的电磁特性 1.UH-I特性：控制电流与输出之间的关系 磁感应强度B一定时，在一定的温度下，霍尔电势输出UH与控制电流I之间呈线性关系。直线的斜率称为控制电流的灵敏度KI（ KI = KH B）。 2. UH-B特性：磁场与输出之间的关系 控制电流固定时，霍尔元件输出随磁场的增加并不完全呈线性。通常霍尔元件工作在0.5特斯拉以下时有较好的线性度。HZ-4的线性度较好，一般不大于0.2%。 4.2.7误差分析及误差补偿 1.不等位电势及其补偿 当控制电流流过元件时，即使磁场B等于零，霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。不等位电势是一个主要的零位误差，由于霍尔电压电极不在同一等位面造成。下面将霍尔元件等效为一个电桥进行分析。 2.温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻率、载流子的迁移率和浓度等会随温度的变化而变化，所以霍尔元件的性能参数（内阻、霍尔电势）会受温度变化的影响。 减小霍尔元件的温度误差的方法：选用温度系数小的元件、采用恒温措施或用恒流供电方式。通常将