第6章磁电式传感器机工社张玉莲版分解.ppt

学习目的 主要内容 6.1 概述 磁电感应式传感器是通过磁电转换将被测非电量（如振动、位移、速度等）转换成电信号的一种传感器。 1820年奥斯特首次通过实验发现电流的磁效应。1831年英国物理学家法拉第发现电磁感应定律。根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。最简单的把磁信号转换为电信号的磁电传感器就是线圈。随着科技发展，现代磁电传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用在被测物上，使物质的电性能发生变化的物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。 磁电式传感器的种类较多，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。本章主要介绍霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏晶体管等常用半导体磁传感器的原理、特性和应用。 6.2 霍尔传感器的工作原理与特性 6.2.1 霍尔效应 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。所产生的电动势称为霍尔电势。 如图6-1所示，在长、宽、高分别为L 、 W 、 H的半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c侧指向d侧方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用表示，大小为： 在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成正电荷的积累。这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场 ,称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力（ ）与洛仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有 设 ---霍尔系数，得 设 ---霍尔灵敏度，则 霍耳电势与材料的关系 通过以上分析，可以看出 ⑴ 霍耳电压UH大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N型半导体材料。 RH=1/nq ⑵ 霍耳电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点： 1）根据式 ，H愈小，KH愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。 2）元件的长宽比对UH也有影响。L/W加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但如果L/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式（6-6）加以形状效应修正： (6-7） 式（6-7）中， 为形状效应系数，其修正值如下表所示。通常取 霍耳电势与材料的关系 3） 霍耳电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式 UH正比于I及B。当控制电流恒定时，B愈大，UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍耳灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制I,也可以提高霍耳电压的输出。但电流不宜过大，否则，会烧坏霍耳元件。 6.2.2 霍尔元件的结构和主要参数 霍尔元件是一种四端型器件，如图6-2所示，它由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，尺寸一般为4mm× 2mm× 0.1 mm。通常为红色的两个引线A、B 为控制电流， C、D 两个绿色引线为霍尔电势输出线。 主要特征参数 （1）额定控制电流I ：使霍尔片温升10℃所施加的控制电流值。 （2）输入电阻 ：指控制电极间的电阻值。 （3）输出电阻 ：指霍尔电势输出极之间的电阻值。 （4）最大磁感应强度 ：磁感应强度超过 时，霍尔电势的非线性误差明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。 6.2.3 集成霍尔传感器 将霍尔敏感元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源等集成于一个芯片上构成霍尔集成传感器。有些霍尔传感器的外形与DIP 封装的集成电路相同，故也称集成霍尔传感器。 类型：分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。 1、霍尔线性集成传感器这种线性型传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量、控制。这种传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路，如图6-4 所示。 2. 开关型霍尔集成传感器 开关型霍