第7章磁敏传感器ppt课件.ppt

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1、第7章磁敏传感器7.1霍尔传感器7.2磁阻传感器7.1霍尔传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。一、霍尔效应置于磁场中的静止载流导体或半导体，当它的电流方向和磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。该电动势称霍尔电势，载流导体（多为半导体）称霍尔元件。霍尔效应是导体

2、中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。霍尔效应原理图+I+++++－－－－－－ＢLddUH如图，在与磁场垂直的半导体薄片上通电流I，假设载流子为电子（N型半导体材料），它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转（如虚线箭头方向），并使改侧形成电子积累。而另一侧形成正电荷积累，元件的横向形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH

3、。设霍尔片的长度为L，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力e—电子电量(1.62×10-19C)；v—电子运动速度。当达到动态平衡时同时，作用于电子的电场力负号表示电子运动方向与电流方向相反。则电流强度I可表示为：同理，若霍尔元件为P型半导体，则p：单位体积中的空穴数。二、霍尔系数和灵敏度RH称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。一般，电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此，制作霍尔元件时多采用N型半导体材料。KH称为元件的灵敏度，它表示

4、霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位（mV/mA·T）。上式说明：（1）金属电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件；（2）元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度。但不是d越小越好，这会导致元件的输入和输出电阻增加。若磁感应强度B的方向与霍尔片平面法线夹角为θ时，如P127，图8-2所示，此时实际作用于霍尔片的有效磁场是其法线方向的分量，即Bcosθ，其霍尔电势为：UH＝KHIBcosθ注意：当控制电流的方向

5、或磁场方向改变时，输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍尔电势并不改变方向。通常应用时，霍尔片两端加的电压为E，如果将霍尔电势中的电流I改写成E，可使计算方便，根据由上式可知，适当地选择材料迁移率（μ）及霍尔片的宽长比（b/L），可以改变霍尔电势UH值。三、霍尔元件材料及结构特点霍尔器件片a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍尔电极R

6、4ABCDR1R2R3R4（c）霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或霍尔电极、输出端。若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。B关于霍尔器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。H霍尔元件符号AAABBCCCDDD控制电流I；霍尔电势UH；控制电压V

7、；霍尔负载电阻RL；霍尔电流IH。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载RL,RL可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。UHRLVBIEIH霍尔器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。四、基本电路形式五、基本特性1.UH－I特性当磁场（Ｂ）恒定时，在一定温度下，测定控制电流I与霍尔电势UH，可得到良好的线性关系，如图

8、P129，图8－7。直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示，由此可得，灵敏度KH大的元件，其控制电流灵敏度KI一般也大。但是灵敏度大的元件，UH不一定大，因为UH还与I有关。2.UH－B特性当控制电流I保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈现线性关系，而有非线性偏离。如P129图8－8六、误差分析及其补偿方法1.元件几何尺寸及电极焊点大小对性能的影响实验表明，当L/b＞2时，形状系数fH(L/b)接近1。为了提高元件的灵敏度，