传感器原理第四章磁传感器.ppt

自动供水装置的电路，如图4-11所示，它主要由磁传感装置，单稳态电路，固态继电器，电源电路及电磁阀等组成，磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成，平时，SL3020传感器受磁铁磁场的作用，其输出端输出低电平，半导体管VT处于截止状态，由IC组成的单稳态电路处于复位状态，IC的输出端3脚输出低电平，固态继电器SSR由于无控制电流而处于截止状态，电磁阀Y无电而关闭，水龙头无水流出，单稳态电路在复位状态时，IC内部将电容C短路。 当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通过磁传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器此时输出高电平脉冲，经TV反相触发单稳态电路翻转进入暂稳状态，此时IC的3脚输出为高电平，使固态继电器SSR导通，电磁阀Y得电工作自动开阀放水，单稳态翻转后，IC内部电路将C源短路状态释放， C通过RP和R开始充电，当C上的电位充电到IC的阀值电压时，触发单稳态电路复位，IC输出端第3脚又恢复到低电平，固态继电器SSR截止，电磁阀Y断电关闭，水龙头自行停止出水，电路又恢复到平时状态。 单稳态电路每次由单稳态翻转进入暂稳状态的时间长短，也就是每次供水的时间，该事件取决于C,R,RP的时间常数，调节RP可在3～20范围内改变这一时间。 C和C是旁路电容器，主要用来消除各种杂波的干扰。 图4-11自动供水装置电路原理图 * 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。 * 在推导公式（2.6-17）和（2.6-18）时，是假设半导体内各处载流子作平行直线运动，且在L/W很大条件下推导出的。这也就是说在控制电极对霍耳电极无影响时才成立。但这一点实际中是做不到的，因为它是受许多因素影响的。 影响直线性的参数主要有：器件几何尺寸（L/W）的大小；霍耳电极的位置和大小；磁场的强弱；结晶取向的程度等因素。 在实际工作中，应根据对直线性的具体要求，采取具体办法，同时对各影响因素进行综合考虑来选取符合要求的线性度。 * 实际使用霍耳元件时，对于一定的磁感应强度，总希望得到较大的霍耳输出。此时，用加大控制电流的办法是可行的。但增大控制电流将使元件温度提高。因此，元件的允许温升规定着一个最大控制电流，这就是所谓额定电流。 为了提高元件的积灵敏度，需用霍耳系数大的半导体材料，并且元件的厚度越薄越好。因此，采用高纯度锗、硅就可得到积灵敏度高的元件。从提高磁场灵敏度观点出发，应选用高纯度、高迁移率的半导体材料较好，元件的厚度亦同样是越薄越好。因此，锑化铟被广泛地用作霍耳器件的材料。 * 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。 * 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