cP22第四章[5磁敏传感器]lpj1.ppt

1,第五节 磁敏传感器,一、霍尔元件,霍尔效应将导电体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，如果在a、b端通以电流I，则在c、d端就会出现电位差。,霍尔效应原理：在磁感强度为B的磁场中，电荷为q、运动速度为 的带电粒子，所受的磁场力洛仑兹力，为,2,霍尔电势UH为, 霍尔元件一般由锗(Ge)、锑化铟(InSb)等半导体材料制成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。,3, 霍尔传感器有单端输出和双端输出（差动输出）两种电路。, 开关型霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和集电极开路输出等部分组成。,4,关于施密特触发器,施密特触发器的工作特点：, 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。, 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。,5,门电路组成的施密特触发器,vI1,6,霍尔传感器应用,1）直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以 实现换向,S,7,2）测转角,8,2）测转角,9,3）电流传感器/钳形表,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,10,叶片和齿轮位置传感器,4）叶片和齿轮位置传感器,11,5）汽车速度测量,12,1一轴 2一外壳 3电路 4一定子 5线圈 6一霍尔元件 7一永磁转子,6）电动自行车/霍尔电机,13,7）铁磁材料裂纹检测,14,案例：输油管检测用管道猪(Pigging),15,霍尔元件可以用来测量磁场强度、位移、力、速度、角度等。其特点是体积小、使用间便、无接触测量，但受温度影响较大，在做精密测量时应作温度补偿。,二、磁敏电阻, 磁阻效应当一载流导体置于磁场中时，其电阻会随磁场而变化。磁敏电阻就是基于磁阻效应工作的。, 磁阻效应是伴随霍尔效应同时发生的一种物理现象。运动电荷在磁场中受到洛仑兹力的作用而发生偏转后，其从一个电极到另一个电极所经过的途径，要比无磁场作用时所经过的途径长些，因此增加了电阻率。, 磁阻效应与半导体材料的迁移率，几何形状有关。一般迁移率愈高，元件的长宽比愈小，磁阻效应愈大。, 制造磁敏电阻的材料：锑化铟(InSb),砷化铟(InAs)等。,16, 磁电阻测量实验,处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分压电路中，通过对R的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电压表联接1或2可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。, 实用的磁敏电阻在无磁场时的初始电阻值R0可达几百欧姆，在磁感应强度B=1.0T时，其阻值RB与R0的比值可高达12左右。,17, 磁敏电阻是两端器件，使用方便，但受温度影响很大，制作工艺难度大，应用受到限制。,三、磁敏管,1 磁敏二极管,（1）磁敏二极管的结构 有硅磁敏二级管和锗磁敏二级管两种。与普通二极管区别：普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是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=40cm左右的P型或N型单晶做基区(锗本征半导体的=50cm)，在它的两端有P型和N型锗，并引出，若代表长基区，则其PN结实际上是由P结和N结共同组成。 以2ACM1A为例，磁敏二级管的结构是P+IN+型。,18,磁敏二极管 (a)结构 (b)电路符号,在高纯度锗半导体的两端用合金法制成高掺杂的P型和N型两个区域，并在本征区（I）区的一个侧面上，设置高复合区(利用喷砂打毛，形成粗糙的表面，称为r面。由于粗糙的表面处容易使电子空穴对复合而消失，故r面是高复合区， 也称为r区)，而与r区相对的另一侧面，保持为光滑无复合表面。这就构成了磁敏二极管的管芯，其结构如图。,19,（2）磁敏二极管的工作原理,当磁敏二极管外加正向偏压，即P区接电源正极，将有大量空穴从P区注入到I区。若将其放入磁场中，则注入的空穴和电子都要受到洛仑兹力的作用而发生偏转。当磁场方向使空穴，电子向r面偏转时，它们将大量复合，因而电流很小；当磁场方向使空穴，电子向光滑面偏转时，它们的复合率变小，电流就大。故可根据某一偏压下的电流值来确定磁感应强度的大小和磁场方向。,当磁敏二极管反向偏置时，在r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,20,磁敏二极管优点：1）灵敏度高，约为霍尔元件的数百甚至上千倍；2）可识别磁场方向，且线路简单，功耗小。 缺点：灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄，且受温度影 响大。,2 磁敏三极管,（1）磁敏三极管的结构,在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。,21,当磁敏三极管末受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使l。,（1）磁敏三极管工作原理,22,由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。这样就可以利用磁敏三极