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传感器原理与应用技术-
常用霍尔传感器GaAs(砷化镓)和lnSb(锑化铟)介绍: 1.GaAs霍尔传感器的品质 ①霍尔电压的温度稳定性好 最大的优点是其在恒流工作时温度稳定性好,温度变化10℃,输出电压变化不超过 -0 .6%。 ②输出线性好 最大误差只有2%(1K与5K高斯霍尔电压的比)。完全可以满足一般的用途。 ③灵敏度低 与InSb霍尔传感器相比灵敏度低。大多数InSb霍尔传感器的输出电压较高,但这类传感器在500高斯左右开始达到饱和。 ④GaAs霍尔传感器的不平衡电压随温度变化较大。 在弱磁场中(10高斯以下)不如InSb霍尔传感器。 ?-0.06% ?-0.06% 温度系数 4元 4元 价格 450~900Ω 450~900Ω 输入电阻 65~170mv 50~120mv (1mA,1k高斯) 霍尔电压 GaAs GaAs 种类 THS106A THS103A 2.InSb霍尔传感器的品质 InSb霍尔传感器与GaAs的特性几乎相反。 ①不平衡电压稳定性好 InSb霍尔传感器在恒压工作时不平衡电压的稳定性很好,噪音也小,在弱磁场中工作可很好地进行S/N的测量。 ② 霍尔电压的温度稳定性不好 在恒流工作时其温度系数为-2%/℃(最大),是GaAs的30~40倍。 为了改善InSb霍尔传感器的温度特性,采用恒压工作,可以将温度系数降低近10倍。 ③InSb霍尔传感器的频率特性也不太好(大约在数千赫至数十千赫)。 在理论上GaAs霍尔传感器的频带在兆赫以上,而实际上是达不到的,但无论如何也会有InSb霍尔传感器数十倍以上的带宽。 7.2 集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限,实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点,因此显著地提高了可靠性。此外,它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。 7.2.1 开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,施密特触发器和输出级五部分组成。 7.2.2 线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。 一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成, 霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。 7.3.1 磁阻效应 当载流导体置于磁场中,其电阻会随磁场而变化的现象。 当温度恒定时,在磁场中,磁阻与磁感应强度B的平方成正比。 如果器件只有在电子参与导电的情况下,理论推导出来的磁阻效应方程为: 7.3 磁敏电阻器 电阻率的相对变化 可以看出 ,在磁感应强度B一定时,迁移率越高的材料(如InSb、InAs、NiSb等半导体材料)磁阻效应越明显。 从微观上讲,材料的电阻率增加是因为电流的流动路径因磁场的作用而加长所致。 7.3.2 磁敏电阻的结构 磁阻效应除了与材料有关外,还与磁敏电阻的形状有关。 在恒定磁感应强度下,磁敏电阻的长度与宽度的比越小,电阻率的相对变化越大。 长方形磁阻器件只有在lb的条件下,才表现出较高的灵敏度。在实际制作磁阻器件时,需在lb的长方形磁阻材料上面制作许多平行等间距的金属条(即短路栅格),以短路霍尔电势. 图7-13 长方形磁阻器件 B I B l I b 图7-14 圆盘形磁阻器件 (a) (b) B 圆盘形的磁阻最大。故大多做成圆盘结构。 7.3.3 磁阻元件的主要特性 1. 灵敏度特性 磁敏电阻的灵敏度一般是非线性的,且受温度的影响较大。磁阻元件的灵敏度特性用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示,即磁场 — 电阻变化率特性曲线的斜率。 在运算时常用RB/R0求得, R0表示无磁场情况下磁阻元件的电阻值,RB为施加0.3T磁感应强度时磁阻元件的电阻值。 (b) 电阻变化率特性 RB/R0 15 10 5 温度(25℃) 弱磁场下呈平方特性变化 强场下呈直线特性变化 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 B/T S级 (a) S、N级之间电阻特性 N级 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 R/Ω 1000 500 B/T 图7-15 灵敏度特性 2. 电阻 — 温度特性 半导体磁阻元件的温度特性不好。元件的电阻值在不大的温度变化范围内减小的很快。因此,在应用时,一般都要设计温度补偿电路。 温度(℃) 0 20 150 50 40 80 100 电阻(Ω) 100 60 传感器
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