1、第7章 磁敏传感器,7.1 磁敏传感器的物理基础7.2 霍尔元件7.3 磁阻元件7.4 磁敏二极管和磁敏三极管7.5 磁敏传感器的应用,7.1 磁敏传感器的物理基础,7.1.1基础知识磁感应强度、电场强度、力三者的关系为电感、电流、磁通量三者的关系为感应电动势为,7.1.2 霍尔效应,1879年 霍尔发现在一个通有电流的导体板上，若垂直于板面施加一磁场，则板面两侧会出现微弱电势差.,l,d,I,a,b,当达到动态平衡时：,受力分析,(方向向下),(方向向上),试验结果,(霍耳系数),讨论：,用霍耳效应测定，电流等,区分半导体材料类型,N 型半导体,P 型半导体,通过测量霍尔系数可以确定导电体中
2、载流子浓度(浓度随杂质、温度等变化）,7.1.3 磁阻效应,定义：将一载流导体置于外磁场中，除了霍尔效应外，其电阻也会随磁场变化。磁阻效应表达式：电阻率的相对变化为： 是电子迁移率,7.1.4形状效应,磁阻的大小还和磁敏元件的几何形状有关： 形状效应系数； 磁敏元件的长度； 磁敏元件的宽度；,7.2 霍尔元件,工作原理： 霍尔元件的灵敏度上面讨论的是磁场方向与器件平面垂直,即磁感应强度B与器件平面法线n平行的情况。在一般情况下,磁感应强度B的方向和n有一个夹角,这时式应推广为,7.2.2霍尔元件的结构,组成：霍尔片、引线和壳体。在长边的两个端面有两根控制电流端的引线（1-1），在元件短边的中间
3、以点的形式焊有两根霍尔电压输出引线（2-2）。,7.2.3电磁特性,1 特性,7.2.3电磁特性,2 特性,霍尔元件的基本电路,恒压工作的霍尔传感器电路,恒压工作 如图上所示,恒压工作比恒流工作的性能要差一些,只适用于对精度要求不太高的地方。,当使用SHS210霍尔元件时,工作在1V、1 kGs(1Gs=10-4T) 时,输出电压为2155mV,偏移电压为7%（最大）（1.473.85 mV）。无磁场时偏移电压不变,在弱磁场下工作不利。偏移电压可以调整为零,但与运算放大器一样,并不能去除其漂移成分。在恒压条件下性能不好的主要原因是霍尔元件输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响。输入电阻的温度系数因
4、霍尔元件的材料型号而异, GaAs型为0.3%(最大),InSb型为-2%（最大）。,恒压工作的控制电流为Rsr为霍尔元件的输入电阻。对GaAs霍尔元件而言,温度上升则电阻值变大（+0.3%）,控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化-0.3%(最大),加上若恒流工作时恒流源自身变化-0.06%,其温度特性就显得很不好。对于InSb霍尔元件而言,若恒压工作时恒压源自身的温度系数为-2%（最大）,与电阻变化的+2%相互抵消,则元件的温度系数反而变小。,2. 恒流工作为了充分发挥霍尔传感器的性能,最好使用恒流源供电,即恒流工作,电路如图4.6所示。在恒流工作下,没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应的影响。
5、恒流工作时偏移电压的稳定性比恒压工作时差一些。特别是InSb霍尔元件，由于输入电阻的温度系数大，因此偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103AGaAs霍尔元件，在5mA工作电流、110-1T下，输出电压为50120mA，此时的偏移电压为10%（512mV）。,恒流工作的霍尔传感器电路,3. 差分放大霍尔元件的输出电压一般为数毫伏到数百毫伏,需要用放大电路放大其输出电压。图所示为放大电路的一个例子。霍尔元件是四端器件,为了去除同相电压,需要使用差分放大器。在图（a）中,使用一个运算放大器时,霍尔元件的输出电阻大于运算放大器的输入电阻,这样就会产生误差；图 (b)中使用了三个运算放大器。,
6、霍尔传感器的测量电路,7.2.4 误差分析及误差补偿,1. 不等位电势及其补偿不等位电势是一个主要的零位误差。由于在制作霍尔元件时,不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上,如图7.11所示, 因此,当控制电流I流过元件时,即使磁场强度B等于零,在霍尔电极上仍有电势存在,该电势就称为不等位电势。在分析不等位电势时,我们把霍尔元件等效为一个电桥,如图所示。电桥臂的四个电阻分别为r1、r2、r3、r4。当两个霍尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4,电桥平衡,这时,输出电压Uo等于零。当霍尔电极不在同一等位面上时,如图7.11所示,因r3增大,r4减小,则电桥失去平衡,因此,输出电压Uo就不等
7、于零。恢复电桥平衡的办法是减小r2、r3。在制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向,就应采用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减小不等位电势。,不等位电势示意图,霍尔元件的等效电路,常用的几种补偿线路,2. 温度误差及其补偿,由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化,因此,霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）对温度的变化也是很灵敏的。 为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件（如砷化铟）或采用恒温措施外,用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性问题
8、,还必须结合其它补偿线路。 所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制电流极并联一个合适的补偿电阻r0,这个电阻起分流作用。当温度升高时,霍尔元件的内阻迅速增加,所以流过元件的电流减小,而流过补偿电阻r0的电流却增加。这样,利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻,就能自动调节流过霍尔元件的电流大小,从而起到补偿作用。r0的大小可通过以下的推导求得。,温度补偿电路,设在某一基准温度T0时有以下关系：I=IH0+ I0 式中：I 恒流源输出电流；IH0 温度为T0时,霍尔元件的控制电流；I0 温度为T0时,通过补偿电阻的电流；R0 温度为T0时,霍尔元件的内阻；r0 温度为T0时的补偿电
9、阻。当温度升到T时,同理可得,式中： R是当温度为T时霍尔元件的内阻,R=R0（1+ t）(是霍尔元件的内阻温度系数；t=T-T0,为相对于基准温度的温差)；r是当温度为T时补偿电阻的阻值,r=r0(1+t)(是补偿电阻的温度系数)。当温度为T0时,霍尔电势为 UH0=KH0IH0B 式中,KH0是当温度为T0时霍尔元件的灵敏度设KH= KH0（1+t）,当温度为T时,霍尔电势为UH=KHIHB=KH0（1+t）IHB,因为、比小得多,即,可近似为通过上式就可以确定补偿电阻r0的大小。当霍尔元件给定后,霍尔元件的内阻温度系数和霍尔电势的温度系数可以从元件的参数表中查到,而元件的内阻R0则可以直
10、接测量出来。实践表明,补偿后霍尔电势受温度的影响极小,且这种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响,只是输出电压稍有降低。这显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流,使通过霍尔元件的电流达到额定电流,输出电压就会不变。,(4.13),常用霍尔元件的特性参数,霍尔电压与温度的关系 (a)各种材料; (b)HZ型元件,7.3磁阻元件,长方形磁阻元件科尔宾元件平面电极元件InSbNiSb共晶磁阻元件曲折形磁阻元件,长方形和高灵敏度元件,在电场和磁场互相垂直的固体中电子的运动,电子运动轨迹的偏移,科尔宾元件,科尔宾元件的盘中心部分有一个圆形电极,盘的外沿是一个环形
11、电极。两个极间构成一个电阻器,电流在两个电极间流动时,载流子的运动路径会因磁场作用而发生弯曲使电阻增大。在电流的横向,电阻是无“头”无“尾”的,因此霍尔电势无法建立,有效地消除了霍尔电场的短路影响。由于不存在霍尔电场,电阻会随磁场有很大的变化。霍尔电势被全部短路而不在外部出现,电场呈放射形,电流在半径方向形成涡旋形流动。这是可以获得最大磁阻效应的一种形状。,7.4 半导体磁敏传感器,半导体磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器,常用的磁敏传感器有霍尔传感器和磁敏电阻传感器。除此之外还有磁敏二极管、磁敏晶体管等。磁敏器件是利用磁场工作的,因此可以通过非接触方式检验。非接触方式可以保证
12、寿命长、可靠性高。 半导体磁敏器件的特点是:从直流到高频,比如数十吉赫,其特性完全一样,也就是完全不存在频率关系。这是因为半导体中电子的运动受磁场的影响,以电特性的变化来表现的。在磁敏器件的主要材料半导体中,电子的运动速度非常快,足以跟上频率的变化。半导体磁敏器件产生与磁场强度成比例的电动势,它不仅能够测量动磁场,也能把静止的磁场变换成电信号。如用线圈探测静磁场时,只要线圈相对磁场运动就可以测出静止的磁场强度。并且可以发挥半导体固有的共同特点,也就是能够使器件小型化和集成化。,InSb-NiSb共晶磁阻元件,InSb-NiSb共晶材料的特点是在InSb的晶体中掺杂NiSb,在结晶过程中会析出沿
13、着一定方向排列的细长NiSb针状晶体,如图所示。针状晶体导电性能良好,其直径为1m长度为100m左右。由于NiSb在InSb中是平行整齐、有规则排列,所以可将它看作为栅格金属条,起着短路霍尔电势的作用,相当于几何形状效应。它是几何形状长宽比Lb=0.2的扁条状磁阻元件的串联元件。图示出了三种元件的磁阻效应情况。其中未掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫D型,掺杂的InSb-NiSb磁阻元件叫L、N型。从图中可以看出,掺杂磁阻元件灵敏度下降。但从温度关系曲线上将会发现,其温度特性得到了改善。,三种元件的磁阻效应情况,7.4.1. 磁二极管(SMD) 在外磁场的作用下,半导体中的载流子受到劳伦兹力而
14、偏转。这样偏转到半导体表面的电子和空穴进行复合而消失。这与半导体表面的状态有关。在粗糙的表面上,电子和空穴的复合进行得迅速。因此,电磁场引起载流子偏转的半导体表面做成粗糙（或光滑）面,而其反面则做成光滑（或粗糙）的表面时,根据电流的方向不同,将改变电导率而观察到整流效应。,锗磁敏二极管结构及电路符号,7.4.2 磁敏二极管的工作原理,对普通二极管,在加上正向偏置电压U+时,U+=Ui+Up+Un。式中Ui为i区压降,Up、Un分别为pi+、in+结的压降。若无外界磁场影响,在外电场的作用下,大部分空穴由p+区向i区注入,而电子则由n+区向i区注入,这就是人们所说的双注入长基区二极管,其注入i区
15、的空穴和电子数基本是相等的。由于运动的空间“很大”,除少数载流子在体内复合掉之外,大多数分别到达n+和p+区,形成电流,总电流为I=Ip+In而对磁敏二极管,情况就不同了。当受到正向磁场作用时,电子和空穴受洛伦兹力作用向r区偏转,如图所示。由于r区是高复合区,所以进入r区的电子和空穴很快被复合掉,因而i区的载流子密度减少,电阻增加,则Ui增加,在两个结上的电压Up、Un则相应减少。i区电阻进一步增加,直到稳定在某一值上为止。相反,磁场改变方向,电子和空穴将向r区的对面低（无）复合区流动,则使载流子在i区的复合减小,再加上载流子继续注入i区,使i区中载流子密度增加,电阻减小,电流增大。同样过程进
16、行正反馈,使注入载流子数增加,Ui减少,Up、Un增加,电流增大,直至达到某一稳定值为止。,SMD的原理,7.4.3 磁敏二极管的特性,1. 电流-电压特性图示出了Ge磁敏二极管的电流-电压特性曲线。图中B=0的曲线表示二极管不加磁场时的情况,B取+或B取-表示磁场的方向不同。从图中可以看出：(1) 输出电压一定,磁场为正时,随着磁场强度增加,电流减小,表示磁阻增加,磁场为负时,随着磁场强度向负方向增加,电流增加,表示磁阻减小。(2)同一磁场之下,电流越大,输出电压变化量也越大。,SMD的伏安特性,在一定条件下,磁敏二极管的输出电压的变化量与外加磁场的关系叫做磁敏二极管的磁电特性,图SMD的磁
17、电特性。其中（a）为单个使用时的磁电特性,（b）为互补使用时的磁电特性。从图中可看出单个使用时正向磁灵敏度大于反向磁灵敏度,互补使用时正向特性曲线与反向特性曲线基本对称,磁感应强度增加时,曲线有饱和趋势,在弱磁场作用下,曲线有较好的线性。,SMD的磁电特性,SMD的磁电特性,磁敏二极管的温度特性较差,因此在使用时,一般需对它进行补偿,补偿的方法较多,常采用互补电路,选用一组两只（或选用两组）特性相同或相近的磁敏二极管,按相反磁极性组合,即管子的磁敏感面相对放置,如（a）、(b)所示,构成互补电路。当磁场B=0时,输出电压取决于两管（或两组互补管）等效电阻分压比关系,当环境温度发生变化时,两只管
18、子等效电阻都要改变,因其特性完全一致或相近,则分压比关系不变或变化很小,因此输出电压随温度变化很小,达到温度补偿的目的。磁敏二极管相对于磁场及脉冲电源的频率特性由载流子在本征区域的渡越时间来决定,因此,元件的频率特性与元件的尺寸大小关系很大。锗SMD尺寸为3.6mm0.6mm0.4mm。在低于10kHz时灵敏度不变,在10kHz以上将下降。,温度补偿电路,锗SMD的频率特性,7.4.2磁敏三极管 磁敏三极管也是以长基区为主要特征,以锗管为例,其结构示意和工作原理,锗磁敏三极管结构和原理,磁敏三极管有两个PN结,其中发射极E和基极B之间的PN结是由长基区二极管构成,也设置了高复合区,即图中粗黑线
19、部分。图(a)表示在磁场B作用下,载流子受劳伦兹力而偏向高复合区,使集电极C的电流减少。图(b)是反向磁场作用下载流子背离高复合区,集电极电流IB增加。可见,即使基极电流IB恒定,靠外加磁场同样改变集电极电流IC,这是和普通三极管不一样之处因为基区长度大于载流子有效扩散长度,所以共发射极直流电流增益1,但是其集电极电流有很高的磁灵敏度,主要依靠磁场来改变IC。一般锗磁敏三极管的集电极电流相对磁灵敏度为(160%200%)/T,有的甚至达到350%/T。硅磁敏三极管平均为(60%70%)/T,最大达到150%/T。锗磁敏三极管的集电极电流与磁感应强度间的关系如图所示。,锗磁敏三极管的IC与磁感应
20、强度间的关系,7.5 磁传感器应用举例 1.电流测量 图为磁平衡方式的霍尔器件测量电流的原理图。被测电流I1产生的磁感应强度为B1时,根据B1的存在,霍尔器件输出霍尔电压。这个电压通过OP放大器向反馈线圈N2供给电流I2。在霍尔电压UH=0时,有,磁平衡方式测量电流的线路图,式中,N1、N2分别为被测电流线圈和反馈线圈的圈数。 通过电阻R测量I2时可得到与I1成比例的值。从上式中可看出I2与N1/N2成比例,因此,可大大改善霍尔器件的温度关系和磁场关系。,图中的电路和上图类似。但它是用两个霍尔器件来改善温度关系和磁场关系的电路图。根据被测电流I1产生的磁感应强度B1,霍尔器件H1产生霍尔电压U
21、H1。这个电压通过OP放大器向N2线圈提供I2电流。这时由I2产生的磁感应强度B2在霍尔器件H2中产生霍尔电压UH2。当适当选择I2的方向使UH1+UH2=0时,I2则在U=UH2时平衡。因此,I2由下式决定,因为UH1=UH2，所以,如果霍尔器件H1和H2的特性相同,则k1=k2。因此,I2由下式给出,由上式看出,I2只与N1/N2有关,因此,能够改善霍尔器件的温度和磁场特性。,使用两个霍尔器件测电流的线路图,7.5.2 位移测量 位移测量原理图如图所示。二只磁阻元件RM1、RM2组成电桥,并设磁铁处于两个磁阻元件之间时,RM1=RM2,因R1=R2,故电桥处于平衡状态,电桥无输出。当位移变
22、化时,迫使磁铁移动,则两个磁阻元件受磁场强度不同的磁场作用,则RM1与RM2的阻值不相等,电桥失去平衡,此时电桥输出电压与位移有关。当位移方向相反时,电桥输出极性发生变化,因此,磁阻元件就可检测位移,同时可判断位移方向。,位移测量原理,7.5.3 涡轮流量计 利用磁敏二极管或三极管对磁铁周期性地接近或远离,可输出频率信号。若采用磁性齿轮,则磁敏二极管或三极管的输出波形近似正弦波,其频率与齿轮的转速成正比。图是涡轮流量计。传感器安装在与涡轮相垂直的位置上,利用转速与流量成正比的关系,可以测量流量。这种传感器的低速特性很好,因此无论流量大小都能很好计量。,涡轮流量计,利用霍尔效应测量转速的方案（a
23、） 永磁体安装在轴端；（b）永磁体安装在轴侧,HMC1001高灵敏度一维磁阻传感器,用MS-F06测量交流电流,7.5.4 用霍尔元件测量电流用霍尔元件测量工程上的大直流电流,往往具有结构简单、成本低廉、准确度高等诸多优点。常用的测量方法有： 旁测法、贯串法、绕线法等。1） 旁测法 旁测法是一种较简单的方法,其测量方案如图所示。将霍尔元件放置在通电导线附近,给霍尔元件加上控制电流,被测电流产生的磁场将使霍尔元件产生相应的霍尔输出电压,从而可得到被测电流的大小。该法只适宜于那些要求不很高的测量场合。,旁测法,2） 贯串法贯串法是一种较实用的方法,其测量方案如图所示。该法是把铁磁材料做成磁导体的铁
24、心,使被测通电导线贯串它的中央,将霍尔元件或霍尔集成传感器放在磁导体的气隙中,于是,可通过环形铁心来集中磁力线。当被测导线中有电流流过时,在导线周围就会产生磁场,使导磁体铁心磁化成一个暂时性磁铁,在环形气隙中就会形成一个磁场。通电导线中的电流越大,气隙处的磁感应强度就越强,霍尔元件输出的霍尔电压UH就越高,根据霍尔电压的大小,就可以得到通电导线中电流的大小。该法具有较高的测量精度。,贯串法,贯串法的两种形式,3） 绕线法 磁芯绕线法是又一种测量方案,其原理如图所示。它是用标准环形导磁铁芯与霍尔集成传感器组合而成。把被测通电导线绕在导磁铁芯上,据有关文献资料报道,若霍尔传感器选用SL3501M,
25、则每1安1匝在气隙处可产生0.0056 T的磁感应强度。若测量范围是020A,则被测通电导线绕制9匝,便可产生约00.1 T的磁感应强度。此时, SL3501M会产生约1.4 V的电压输出。,绕线法,7.5.5 霍尔开关按键霍尔开关按键是由霍尔元件装配键体而成的开关电键。霍尔电路用磁体作为触发媒介,当磁体接近霍尔电路时,产生一个电平信号,霍尔按键就是依靠改变磁体的相对位置来触发电信号的。霍尔开关是一个无触点的按键开关。霍尔电路具有一定的磁回差特性,在按下按键过程中,即使手指有所抖动,也不会影响输出电平的状态。按键的输出电平由集成元件的输出级提供,电平的建立时间极短。因此,霍尔按键是一个无触点、无抖动、高可靠、长寿命的按键开关。,7.5.6. 磁敏电阻的基本应用电路磁敏电阻的基本应用电路如图所示。图 (a)为单个磁敏电阻应用时的接法,磁敏电阻RM与电阻RP串联再接到电源Eb上。电阻RP是用来取出变化的磁阻信号的。流经RM的电流IM经过电阻RP变为电压。由图可知：,磁敏电阻基本应用电路,图 (b)是两个磁敏电阻RM1和RM2串联连接的电路结构,从串联磁敏电阻的中点得到输出信号。这种接法虽多用了一个磁敏电阻,但具有一定的温度补偿作用,因此广泛应用于与机电有关的机构中或作为非接触式磁性分压器。,
