九五科技攻关项目97-75001专题.ppt

第八章 磁敏传感器 一、霍尔效应 在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场, UH = KH I B 霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积。KH称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数 当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变 二、材料及结构特点 补偿方法： 类似电桥调平衡 * * 电子信息及电气工程系 8-1 概述 一、定义 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 1856年发现磁阻效应， 1879年发现霍尔效应 60年代初开始应用。 二、分类 体型：霍尔传感器，磁敏电阻 结型：磁敏二极管，磁敏晶体管 8-2 霍尔传感器 + + + + + + + + + I UH B FL FE v 那么,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势UH（霍尔电压）. 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果： UH=KHIB KH= RH / d 灵敏度 1）RH = (μ,ρ) (RH= 1 / [n( - e)]) 2）KH= RH / d ，则d要小，霍尔片要薄（1μm） 3）霍尔片长边/短边4，输出不受影响（一般长边/短边=2, 短边通以电流，长边输出UH ） 一般采用以下半导体单晶材料制成： N型锗、砷化铟、锑化铟 输出大 受温度影响大 输出小 温度和线形度较好 线形度好 受温度影响比锑化铟小 输出没有锑化铟大 敏感 元件 一般 测量 接触要求：欧姆接触（无PN结） 老式：焊接 新方法：离子注入工艺 溅射工艺 霍尔元件外形及结构： 尺寸：4mm × 2mm × 0.1mm 1 3 2 4 由于建立霍尔效应的时间很短，因此控制电流用交流时，频率 可以很高（几千兆赫） 在磁场作用下，负载上有电压输出。 实际使用时,以I或B,或同时作为输入信号，而输出信号则正比于I或B,或两者的乘积。 三、基本电路 控制电流由E供给 RP为调节电阻 Rf为负载电阻 建立霍尔效应的时间很短：10-2～ 10-14ｓ 控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫） 四、电磁特性 1）ＵH—I特性：UH = KH I B 在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势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灵敏度用KI表示。 KI = KH B → UH = KI I （线性） KH↑ → KI ↑ KI ↑ 、 I ↑ → UH ↑ 2）ＵH—B特性 　 　当控制电流一定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，只有当元件工作在０.５Wb/m2时线性度才比较好。 UH = KH I B KB = KH I → UH = KB B 霍尔元件的电磁特性包括控制电流与输出之间的关系、霍尔输出与磁场之间的关系 五、连接方式 U0 + - R3 Rf R1 R4 R2 -15v +15v 2 4 1 3 线性测量： UH → mV级 要求：线性好，稳定， KH可低，不等位电势小 选低噪声放大器 U0 + - R3 R1 R4 R2 -15v +15v 2 4 1 3 开关状态： 要求：灵敏度高，选一般放大器即可 七、误差分析及误差补偿方法 １） 元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能 　　的影响 UH= fH( ) RHIB d L l fH(L/l)为元件的 形状系数 当L/l2　时,形状系数fH(L/l)接近于1 实际上,取L/l=2 b) 霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响 当S/L0.1时,电极宽度的影响才可以忽略不计. a) UH= fH( ) RHIB d L l S/L0.1 2） 不等位电动势及其补偿 主要零位误差，制作时不能保证将霍尔电动 势极焊在同一等位面上. 3） 寄生直流电动势 a） 非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动势极上的整流效应 b） 电动势极的的焊点不一致,两焊点的热容量不一致产生温差寄生直流电动势 自身补偿法 4） 感应电动势 在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附加感应电动势,其大小正比于磁场变化