《感测技术》 第七章 磁电传感器.pptVIP

《感测技术》 第七章 磁电传感器.ppt

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霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内侧偏移,在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势 霍尔元件 d越小,即霍尔元件约薄,灵敏度越高 直放式(开环)电流传感器 磁平衡式(闭环)电流传感器 霍尔电压(闭环)传感器 钳形电流表 电流传感器 霍尔转速表 霍尔转速表原理 霍尔转速表原理 霍尔接近开关 某霍尔式压力计中,弹簧最大位移为±1.5mm 控制电流I=10mA,要求传感器输出电动势为±20mV 选用霍尔元件灵敏度系数KH= 1.2mV/(mA?T) 求所要求线性磁场在弹簧伸缩方向的梯度为多大 UH = KH BI B= UH / (KH I)=±20/(1.2×10)=±1.67T ΔX=±1.5mm时要求 磁场强度变化ΔB=±1.67T 因此磁场梯度为 ΔB/ΔX=±1.67T/±1.5mm=1.11T/mm 第二节 磁敏电阻 一、磁阻效应 某些半导体材料在磁场作用下,不但产生霍尔效应,而且其电阻值也随磁场变化,这种现象称之为磁阻效应。 引起电阻变化的原因有二,其一是材料的电阻率随磁场增加而增加,称为磁阻率效应;其二是在磁场作用下,通过磁敏电阻电流的路径变长,因而电极间电阻值增加,这种现象称为几何磁阻效应。 目前实用的磁阻元件主要是利用半导体的几何磁阻效应。 几何磁阻效应示意图 (a)L/W<1 (b)L/W>1 (c)柯比诺元件 半导体材料的几何磁阻效应与材料的几何形状和尺寸有关 由于柯比诺元件为盘形元件,其两电极为圆盘中心和圆周边,电流在两电极间流动时,受磁场影响而呈涡旋形流动,霍尔电场无法建立,因而柯比诺元件可以获得最大磁阻效应,但其电阻值太小实用价值不大。 将长方形磁阻元件的L/W比值减小,磁阻效应RB/R0也相应增大,但零磁场下的电阻值R0也要变小。 几何形状与磁阻变化特性 为了获得较大的磁阻效应而又有足够大的R0,实际上采用L/W<1的多个元件串联 平面电极磁敏电阻 平面电极磁敏电阻通常是在锑化铟(InSb)半导体薄片上,用光刻的方法制作多个平行等间距的金属条构成栅格,这相当于多个L/W<1的长方形InSb薄片磁阻元件串联,既增加了零磁场电阻R0 ,又可以获得较高的磁阻效应。 磁阻特性曲线 二、磁敏电阻的基本特性 1.磁阻灵敏度 通常把磁敏电阻的比值RB/R0称为磁敏电阻的灵敏度,其中R0为无磁场时磁阻元件的阻值,RB是磁感应强度为B 时磁阻元件的阻值。 2.磁阻特性 由特性曲线可知,磁阻元件对正、负磁场的作用具备相同的灵敏度 无偏置磁场 检测磁场不能判别磁性 外加偏置磁场时 相当在检测磁场外加了偏置磁场 工作点移到线性区 磁极性也作为电阻值变化表现 * 第七章 磁电传感器 第一节 霍尔传感器 一、霍尔效应 二、霍尔元件的基本特性 三、测量电路 四、误差及其补偿 五、集成霍尔传感器 六、霍尔传感器的应用 第二节 磁敏电阻 一、磁阻效应 二、磁敏电阻的基本特性 三、磁敏电阻的应用 第三节 磁敏二极管和磁敏三极管 一、磁敏二极管 二、磁敏管的应用 第七章 磁电传感器 第一节 霍尔传感器 霍尔在1879年首先在金属材料中发现了霍尔效应 某些半导体材料的霍尔效应十分显著 c d a b 一、霍尔效应 如图所示,在半导体薄片上垂直施加磁场B,在薄片两短边b方向通入控制电流I,则在薄片两长边L方向产生电动势,这种现象称之为霍尔效应,该电动势称为霍尔电压UH ,该半导体薄片称为霍尔元件。 霍尔效应原理图 v :半导体中电子在控制电流I作用下的运动方向和速度 FL :电子受到磁场的洛伦兹力,其大小为 FE: 霍尔电场的电场力 式中 RH —霍尔常数(m3/c) —霍尔元件形状系数 d —霍尔元件厚度(m) L —霍尔元件长度(m) b —霍尔元件宽度(m) I —控制电流(A) B —磁感应强度(特斯拉T,即Wb/m2) 霍尔电压UH 的大小为 霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后,霍尔元件的输出电压UH 正比于控制电流I 和磁感应强度B。 令 ,称之为霍尔元件灵敏度, 则改写为

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