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1、传感器检测技术磁敏传感器第1页，此课件共31页哦K KH H霍耳器件的乘积灵敏度霍耳器件的乘积灵敏度，与材料的物理性质和几何尺，与材料的物理性质和几何尺寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的寸有关，表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。大小。若磁感应强度若磁感应强度B B的方向与电流方向夹角为的方向与电流方向夹角为，霍耳电势，霍耳电势应为：应为：U UH H K KH H I B I B H H K KH H I B I B sinsin 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同
2、时改变方向时，电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。霍耳电势并不改变方向。第2页，此课件共31页哦80806060404020200 00.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0V VH H/(mV)/(mV)=7.0=7.0=1.5=1.5=3.0=3.0B(B(T)T)理论值理论值实际值实际值霍耳电势的负载特性霍耳电势的负载特性=R=R3 3/R/R2 2 V VH HR R3 3I I霍耳电势随负载电阻值而改变的情况霍耳电势随负载电阻值而改变的情况第3页，此课件共31页哦温度特性温度特性霍霍耳耳电电势势或或灵灵敏敏度度的的温温度度特特性性
3、，以以及及输输入入阻阻抗抗和和输输出出阻阻抗抗的的温温度度特特性性。可可归归结结为为霍霍耳耳系系数数和和电电阻阻率率(或或电电导导率率)与与温温度度的的关关系。系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a a）R RH H与温度的关系；（与温度的关系；（b b）与温度的关系与温度的关系R RH H/cm/cm2 2/A/A-1-1250250200200150150100100505040408080120120160160200200LnSbLnSbLnAsLnAsT T/0 02 24 46 6/710/710-3-3cmcmLnAsLnAs2002001501501001005050Ln
4、SbLnSbT T/0 0第4页，此课件共31页哦频率特性频率特性磁磁场场恒恒定定：给给传传感感器器通通入入交交变变电电流流。到到10kHz10kHz时时交交流流输输出出的的频频率率特性很好。霍耳器件可用于微波范围，其输出不受频率影响。特性很好。霍耳器件可用于微波范围，其输出不受频率影响。磁磁场场交交变变：霍霍耳耳电电势势不不仅仅与与频频率率有有关关，还还与与器器件件的的电电导导率率、周周围围介介质质的的磁磁导导率率、磁磁路路参参数数(特特别别是是气气隙隙宽宽度度)等等有有关关。这这是是由由于于在交变磁场作用下，元件内部产生在交变磁场作用下，元件内部产生涡流涡流。在交变磁场下，当频率为数十在交
5、变磁场下，当频率为数十kHzkHz时，可以不考虑频率对器时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数件输出的影响，即使在数MHzMHz时，如果能仔细设计气隙宽度，时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。率特性的。第5页，此课件共31页哦霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势大小与磁场强度霍尔电势大小与磁场强度B B和控制电流和控制电流I I二者的乘积成二者的乘积成正比。实用中可以把正比。实用中可以把I I或或B B作为输入信号，或两者同时作为作为输入信号，或两者同时作为输入信号。输入信号。
6、霍尔传感器按其输出特性分为霍尔传感器按其输出特性分为线性输出型线性输出型和和开关量输开关量输出型出型两种。两种。1)1)线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与线性输出将霍尔元件和放大电路做成一体。输出电压与通过的磁场强度通过的磁场强度B B成线性比例关系。用于成线性比例关系。用于磁场检测磁场检测等场合。等场合。第6页，此课件共31页哦单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大地地H H稳压稳压H H3 3V VCCCC地地4 4输出输出输出输出1 18 86 67 75 5 双端输出传感器的电路结
7、构框图双端输出传感器的电路结构框图 单端输出：传感器单端输出：传感器输出电压对外加磁场输出电压对外加磁场的微小变化能做出线的微小变化能做出线性响应，通常将输出性响应，通常将输出电压用电容交连到外电压用电容交连到外接放大器，将输出电接放大器，将输出电压放大到较高的电平。压放大到较高的电平。双端输出：传感双端输出：传感器是一个器是一个8 8脚双列直脚双列直插封装的器件，可提插封装的器件，可提供差动输出。供差动输出。第7页，此课件共31页哦测量磁场的大小和方向测量磁场的大小和方向电位差计电位差计mAmAE ES SN NR R霍耳磁敏传感器测磁原理示意图霍耳磁敏传感器测磁原理示意图第8页，此课件共3
8、1页哦原原理理：利利用用霍霍耳耳效效应应与与集集成成电电路路技技术术结结合合而而制制成成，能能感感知知与与磁信息有关的物理量，并以磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出开关信号形式输出。特特点点：霍霍耳耳开开关关集集成成传传感感器器使使用用寿寿命命长长、无无触触点点磨磨损损、无无火火花花干干扰扰、无无转转换换抖抖动动、工工作作频频率率高高、温温度度特特性性好好、能适应恶劣环境。能适应恶劣环境。2)2)霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器第9页，此课件共31页哦由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。分组成。稳压电路可使传
9、感器在较宽的电源电压范围内工作；稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图2 23 3输出输出+稳压稳压V VCCCC1 1霍耳元件霍耳元件放大放大BTBT整形整形地地H H第10页，此课件共31页哦霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从从工工作作特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，工工作作特特性性有有一一定定的的磁磁滞滞B BH H，图图中中的的
10、B BOPOP为为工工作作点点“开开”的的磁磁感感应应强强度度，B BRPRP为为释释放放点点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。V VOUTOUT(V)(V)1212ONONOFFOFFB BRPRPB BOPOPB BH HB B0 0外加磁场与传感器输出电外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强平的关系。当外加磁感强度高于度高于B BOPOP时，输出电平由时，输出电平由高变低，传感器处于开状高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于态。当外加磁感强度低于B BRPRP时，输出电平由低变时，输出电平由低变高，传感器处于关状态高，传感器处于关状态。第11页，此课件共31页哦第12页，此
11、课件共31页哦第13页，此课件共31页哦霍耳传感器的仪器霍耳传感器的仪器优点：优点：(1)(1)体积小，结构简单、寿命长。体积小，结构简单、寿命长。(2)(2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3)(3)装置性能稳定，可靠性高。装置性能稳定，可靠性高。(4)(4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5)(5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。缺点：缺点：转转换换效效率率低低，受受温温度度影影响响大大。随随着着新新材材料料新新工工艺艺不不断出现，这些缺点正逐步得到克服。
12、断出现，这些缺点正逐步得到克服。第14页，此课件共31页哦第15页，此课件共31页哦第16页，此课件共31页哦第17页，此课件共31页哦第18页，此课件共31页哦第19页，此课件共31页哦二、磁敏电阻二、磁敏电阻 电电阻阻随随磁磁场场变变化化而而改改变变的的敏敏感感元元件件，也也称称MRMR元元件件，它的理论基础为它的理论基础为磁阻效应磁阻效应。磁阻效应磁阻效应 给给通通电电的的金金属属或或半半导导体体材材料料薄薄片片加加上上与与电电流流垂垂直直或或平平行行的的外外磁磁场场，则则其其电电阻阻值值会会变变化化。称称此此种种现现象象为为磁磁致致电阻变化效应电阻变化效应，简称为磁阻效应简称为磁阻效应
13、。第20页，此课件共31页哦 在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子流子(电子和空穴电子和空穴)的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化，它可表示为：的一种载流子引起电阻率变化，它可表示为：为磁感应强度；为磁感应强度；材料在磁感应强度为时的电阻率；材料在磁感应强度为时的电阻率；0 0 材料在磁感应强度为材料在磁感应强度为0 0时的电阻率；时的电阻率；载流子的迁移率。载流子的迁移率。
14、第21页，此课件共31页哦没没有有栅栅格格时时，电电流流只只在在电电极极附附近近偏偏转转，电电阻阻增增加加很很小小。在在LWLW长长方方形形磁磁阻阻材材料料上上面面制制作作许许多多平平行行等等间间距距的的金金属属条条(即即短短路路栅栅格格)，相相当当于于许许多多扁扁条条状状磁磁阻阻串串联联。栅栅格格磁磁阻阻器器件件既既增增加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。加了零磁场电阻值、又提高了磁阻器件的灵敏度。LWBBII a b第22页，此课件共31页哦 三、磁敏二极管和磁敏三极管三、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁敏电阻之后发磁敏二极管、磁敏三极管是霍耳元件和磁敏
15、电阻之后发展起来的磁电转换元件。展起来的磁电转换元件。优点：优点：磁灵敏度高，磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数磁灵敏度高，磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍；能识别磁场的极性；体积小、电路简单，应用广千倍；能识别磁场的极性；体积小、电路简单，应用广泛；在检测、控制等方面普遍应用。泛；在检测、控制等方面普遍应用。第23页，此课件共31页哦磁敏二极管的结构与工作原理磁敏二极管的结构与工作原理 与普通二极管区别：普通二极管与普通二极管区别：普通二极管PNPN结的长度很短，避免结的长度很短，避免载流子在基区里复合，载流子在基区里复合，磁敏二级管的磁敏二级管的PNPN结很长，大于载流子结很长，大于载流子的
16、扩散长度，由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏的扩散长度，由接近本征半导体的高阻材料构成的。一般锗磁敏二级管用二级管用=40=40cmcm左右的左右的P P型或型或N N型单晶型单晶(锗本征半导体的锗本征半导体的=50=50cm)cm)，在它的两端有，在它的两端有P P型和型和N N型锗型锗，若，若r r表示本征，则其表示本征，则其PNPN结实际上是由结实际上是由P Pr r结和结和N Nr r结共同组成。结共同组成。以以2ACM2ACM1A1A为例，磁敏二级管的结构是为例，磁敏二级管的结构是P P+i iN N+型。型。第24页，此课件共31页哦+（b b）磁敏二极管的结构和电路符号
17、磁敏二极管的结构和电路符号(a)(a)结构结构;(b);(b)电路符号电路符号H H+H H-N N+区区p p+区区i i区区r r区区电流电流（a a）在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P P型和型和N N型两个区型两个区域，并在本征区域，并在本征区(i)(i)区的一个侧面上，设置高复合区区的一个侧面上，设置高复合区(r(r区区)，而与，而与r r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面，构成磁敏二极管的区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面，构成磁敏二极管的管芯。管芯。第25页，此课件共31页哦流过二极管的电流也在变化，也流过二极管的电流也
18、在变化，也就是说二极管等效电阻随着磁场的就是说二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。不同而不同。磁敏二极管的工作原理磁敏二极管的工作原理 当磁敏二极管的当磁敏二极管的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负极，即外加正偏压区接电源负极，即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，P PN NH H电流电流（b b）i iP PN NH H电流电流（c c）i iP PN NH H=0=0电流电流（a a）i i电子电子空穴空穴复合区复合区第26页，此课件共31页哦磁磁电电特特性性：在在给给定定条条件件下下，磁磁敏敏二二极极管管的的输输出出电电压压变变
19、化化量量与与外加磁场变化的关系外加磁场变化的关系 磁敏二极管的磁电特性曲线磁敏二极管的磁电特性曲线（a a）单个使用时（）单个使用时（b b）互补使用时）互补使用时B B/0.10.1T T1.1.0 02.2.0 03.3.0 0-1.0-1.0-2.0-2.00.0.4 40.0.8 81.1.2 21.1.6 62.2.0 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-1.6-1.6-2.0-2.0B B/0.1T0.1T2.2.0 0-1.01.0-2.02.00.0.4 40.0.8 81.1.2 21.1.6 62.2.0 0-0.4-0.4-0.8-0.8-1.2-1.2-
20、1.6-1.6-2.02.01.1.0 03k3kR RE EE=E=12V12V（18V18V）T Td d=20=20（a a）（b b）U U/V/VU U/V/V 下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线下图给出磁敏二极管单个使用和互补使用时的磁电特性曲线。第27页，此课件共31页哦磁敏三极管的结构与原理磁敏三极管的结构与原理磁磁敏敏三三极极管管的的结结构构：NPNNPN型型磁磁敏敏三三极极管管是是在在弱弱P P型型近近本本征征半半导导体体上上，用用合合金金法法或或扩扩散散法法形形成成三三个个结结即即发发射射结结、基基极极结结、集电结所形成的半导体元件。在长基集电结所形成的
21、半导体元件。在长基NPNNPN型磁敏三极管的结构和符号型磁敏三极管的结构和符号a)a)结构结构 b)b)符号符号r rN N+N N+c ce eH H-H H+P P+b bc ce eb b区的侧面制成一个复合区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区速率很高的高复合区r r。长基区分为输运基区长基区分为输运基区和复合基区两部分。和复合基区两部分。i i第28页，此课件共31页哦磁敏三极管的工作原理磁敏三极管的工作原理N N+N N+N N+c cc cc cy yy yy ye ee ee er rr rr rx xx xx xP P+P P+P P+b bb bb bN N+N N+N N
22、+（a a）（b b）（c c）磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图(a)H=0;(b)H=(a)H=0;(b)H=H+H+;(c)H=;(c)H=H H-1-1-运输基区；运输基区；2-2-复合基区复合基区1 12 2H HH H第29页，此课件共31页哦磁电特性：磁电特性：磁敏三极管最重要的工作特性。磁敏三极管最重要的工作特性。B B/0.1T/0.1TI Ic/mAc/mA0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.11 15 52 23 34 4-1-1-2-2-3-3第30页，此课件共31页哦磁敏二极管和磁敏三极管的应用磁敏二极管和磁敏三极管的应用1.1.磁
23、敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗很小，能识别磁场极磁敏管有较高的磁灵敏度，体积和功耗很小，能识别磁场极性。性。2.2.可用于磁场探测仪器可用于磁场探测仪器如漏磁测量仪、地磁测量仪等。如漏磁测量仪、地磁测量仪等。3.3.由于通电导线周围具有磁场，磁场的强弱取决于通电导线中由于通电导线周围具有磁场，磁场的强弱取决于通电导线中电流大小，利用磁敏管采用非接触方法来电流大小，利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流测量导线中电流。4.4.利用磁敏管制成转速传感器利用磁敏管制成转速传感器(能测高达每分钟数万转的转速能测高达每分钟数万转的转速)，可制成无触点电位器和漏磁探伤仪等。，可制成无触点电位器和漏磁探伤仪等。第31页，此课件共31页哦