磁敏式传感器

1、12磁敏传感器磁敏传感器磁场磁场电能电能测量原理：测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴半导体材料中的自由电子及空穴 随磁场改变其运动方向随磁场改变其运动方向结构结构结型结型体型体型磁敏二极管磁敏二极管磁敏三极管磁敏三极管霍尔传感器霍尔传感器磁敏电阻磁敏电阻Magnetic Sensor3LbdBIHEIHUxyz半导体IHall Transducer一、霍尔效应一、霍尔效应1 1、定义、定义Hall effectDefinition传感器技术第七章IBKUHH 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度 霍尔电势霍尔电势HKHU42 2、霍尔电势的产生、霍尔电势的产生N N型半导体：型半导体：IBKUHH

2、LbdBIHEIHUxyz传感器技术第七章洛仑兹力洛仑兹力evBqvBFL电场力电场力HEeEFbUEHH而动态平衡动态平衡bvBUH电流电流)( enbdvInedIBUHP P型：型：pedIBUHdIBRUHH令令霍尔系数霍尔系数或neRH1peRH15uRH半导体半导体绝缘体绝缘体金属金属材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件传感器技术第七章或或pqu1nqu1或或neRH1peRH16二、主要技术参数及特点二、主要技术参数及特点（1 1）额定激励电

3、流）额定激励电流 IH 霍尔元件温升霍尔元件温升10 10 时所加的电流时所加的电流（2 2）不平衡电势）不平衡电势U0U0不等位电势、零位电势不等位电势、零位电势 IIH H、B=0B=0、空载霍尔电势、空载霍尔电势原因：两个霍尔电极不在同一等位面上原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良材料不均匀、工艺不良 传感器技术第七章焦尔热焦尔热散热散热 表面散热系数表面散热系数bdlIRIWHH221TlbAW 22A/2TdAbIH7（3 3）输入电阻）输入电阻Ri Ri 、输出电阻、输出电阻R0R0R Ri i 控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻R R0 0 输出霍尔电势

4、电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻B = 0B = 0欧姆表欧姆表（4 4）霍尔电压）霍尔电压 VHVH）（磁通密度TB）霍尔电压（mV）（恒流CmA2510）（磁通密度TB）霍尔电压（mV）（恒压CV251（5 5）霍尔电压的温度特性）霍尔电压的温度特性负温度特性负温度特性传感器技术第七章8霍尔元件的主要技术指标传感器技术第七章9三、霍尔元件连接方式和输出电路三、霍尔元件连接方式和输出电路特点：特点： （1 1）测量磁物理量、电量及其它相关物理量）测量磁物理量、电量及其它相关物理量（2 2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件（3 3）输出信号的信噪比

5、大）输出信号的信噪比大（4 4）频率范围宽：直流）频率范围宽：直流 数百千赫兹数百千赫兹（5 5）体积小、重量轻）体积小、重量轻（6 6）稳定性好、寿命长）稳定性好、寿命长传感器技术第七章1、基本测量电路、基本测量电路EWLRIBHUdIBRUHHBIIB2、霍尔元件连接方式、霍尔元件连接方式控制电流端并联控制电流端并联 输出电势：输出电势：2 2倍倍1WIHUE2WAB直流供电方式：直流供电方式：控制电流端串联控制电流端串联次级绕阻叠加输出次级绕阻叠加输出IHUB交流供电方式：交流供电方式：传感器技术第七章113、霍尔电势的输出电路、霍尔电势的输出电路四端器件，输出电势：四端器件，输出电势：

6、mVmV量级量级V15V151R3R4R2RfR1234线性应用：线性应用：比例放大器比例放大器线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器V15V151R3R4R2R1234开关应用：开关应用：射极跟随器射极跟随器灵敏度高、一般放大器灵敏度高、一般放大器传感器技术第七章12四、测量误差及补偿四、测量误差及补偿1R3R4R2RABCD半导体固有特性半导体固有特性半导体制造工艺缺陷半导体制造工艺缺陷零位误差温度误差A A、B B同一等位面：同一等位面：U U0 0 = 0 = 0、电桥平衡、电桥平衡A A、B B非同一等位面：非同一等位面：U U0 0 = 0 = 0、电桥不平衡、电桥不平衡电桥

7、补偿原理：电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻在阻值较大的桥臂上并联电阻Measuring error and compensation1 1、零位误差及补偿、零位误差及补偿IAB0UCDNull error & compensation传感器技术第七章131R2R4R3RWI（a）ABCDW1R2R4R3RWI（b）W1R2R4R3RWI（c）W传感器技术第七章142 2、温度误差及补偿、温度误差及补偿电阻率、迁移率、载流子浓度：电阻率、迁移率、载流子浓度：T T霍尔元件内阻、霍尔电势：霍尔元件内阻、霍尔电势：T T霍尔效应霍尔效应集成电路技术集成电路技术开关信号开关信号磁敏传感器磁敏传

8、感器Temperature error & compensation五、霍尔开关集成传感器五、霍尔开关集成传感器Hall switched integrated sensor传感器技术第七章I1234RHV1 1、结构及工作原理、结构及工作原理ccV1稳压稳压23地输出VT霍尔元件放大整形材料：硅材料：硅工艺：硅平面工艺工艺：硅平面工艺提高灵敏度提高灵敏度N N型硅外延层很薄型硅外延层很薄集成工艺集成工艺工作原理：工作原理：有磁场：有磁场：V VH H，放大，整形：，放大，整形： 开启阈值开启阈值，高电平，高电平 VTVT导通，具有吸收电流的负载能力导通，具有吸收电流的负载能力磁场减弱：磁场减

9、弱：V VH H 减小，放大，整形：减小，放大，整形： 关闭阈值关闭阈值， 翻转，低电平，翻转，低电平，VTVT截止截止开状态开状态关状态关状态传感器技术第七章162 2、工作特性、工作特性）（TB）（VVOUTONOFFOPBRPBHB3 3、接口电路、接口电路3020T123外形V1223k2ROUTV1应用电路传感器技术第七章 工作点工作点“开开” 释放点释放点“关关” 磁滞磁滞高高低，开状态低，开状态低低高高，关状态，关状态OPBB RPBB OPBRPBHB17CCVKCCVKCVCCVCVLRCCVCVLR传感器技术第七章1234 4、磁场施加方式、磁场施加方式磁感应强度）（距离m

10、mLLNS）（TB（1）磁铁轴心接近式 两轴心方向重合两轴心方向重合磁感应强度）（距离mmL）（TBLNS25. 0空隙（2）磁铁侧向滑近式两平面距离不变两平面距离不变磁铁轴线与传感器平面垂直磁铁轴线与传感器平面垂直传感器技术第七章S磁铁磁力集中器N移动传感器)(mmL）（磁感应强度TB有磁力集中器无磁力集中器（3）采用磁力集中器增加 传感器的磁感应强度NS传感器磁铁（低碳钢）磁力集中器倍1BS传感器磁铁磁力集中器mmmm8 . 06 . 02525)(软钢铁底盘N%30B传感器技术第七章六、霍尔线性集成传感器六、霍尔线性集成传感器1 1、结构及工作原理、结构及工作原理输出电压与外加磁场强度呈

11、线性比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系构成：构成：霍尔元件、放大器、稳压、 电流放大输出级、失调调整、线性度调整ccVOUTV稳压稳压地123单端输出：SL3501T双端输出：SL3501MccV输出稳压稳压地3418输出567RHall linear integrated sensor传感器技术第七章2 2、主要技术特性、主要技术特性)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度SL3501T 输出特性曲线)(VVOUT输出电压)(TB磁感应强度100R0R15RSL3501M 输出特性曲线霍尔线性集成传感器的技术参数传感器技术第七章22七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用xKxUH

12、磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好测量范围：测量范围：1 2 mm1 2 mmApplication of Hall sensor传感器技术第七章1 1、霍尔位移传感器、霍尔位移传感器NNSSIx磁钢dIBRUHHBx0.constdxdB若.constKdxdBdIRdxdUHH则232 2、磁感应强度测量仪、磁感应强度测量仪传感器技术第七章3 3、直流功率测量仪、直流功率测量仪IKIC1VKB2dBIRVCHHPKIVKKdRH213 411CMSL3501A1RP2RP1R2RS5678SL3501M ：霍尔线性集成传

13、感器RP1：调整表头量程RP2：调零 C1：低通滤波测量上限：0.3 TuA100p1000k10204747VRLRBVI244 4、转速测量、转速测量转角HV02转角HV0NS霍尔元件永磁体被测轴永磁体安装在轴端永磁体安装在轴端NS被测轴霍尔元件永磁体永磁体安装在轴侧永磁体安装在轴侧传感器技术第七章255 5、测量电流、测量电流测量大直流电流（测量大直流电流（10kA10kA）：电阻器分流）：电阻器分流霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场霍尔元件测量电流：检测通电导线周围的磁场（1）导线旁测法HVIBCI简单、测量精度差、简单、测量精度差、受外界干扰大受外界干扰大（2）导线贯穿磁芯法I

14、霍尔元件通电导线导磁铁芯环形铁芯集中磁力线，环形铁芯集中磁力线，提高电流测量精度提高电流测量精度传感器技术第七章266 6、测量表面覆盖层厚度、测量表面覆盖层厚度铁磁性物质铁磁性物质非磁性涂层非磁性涂层MSL3501霍尔元件型铁芯U永磁体铁磁基体覆盖层磁回路)m( VUOUT）（厚度mmV5OUTU123V5MSL3501传感器技术第七章7 7、自动凭票供水装置、自动凭票供水装置控制电路锅炉电磁阀投牌口水龙头水瓶收牌箱磁铁磁传感器滑槽参考书：参考书：黄继昌等编，黄继昌等编，传感器工作原理及应用实例传感器工作原理及应用实例，人民邮电出版社，人民邮电出版社，19981998传感器技术第七章28作业

15、：作业：自动凭票供水装置的控制电路设计控制电路锅炉电磁阀投牌口水龙头水瓶收牌箱磁铁磁传感器滑槽光盘：教学内容/ch07传感器技术第七章Magneto-resistor一、磁阻效应一、磁阻效应 载流导体载流导体置于磁场中，其电阻随磁场而变化置于磁场中，其电阻随磁场而变化Magneto-resistive effect传感器技术第七章磁阻效应方程：磁阻效应方程：温度恒定、弱磁场、只有电子导电 磁感应强度为B时的电阻率 零磁场下的电阻率 电子迁移率 磁感应强度式中，)273. 01 (220BBB0B电阻率变化：电阻率相对变化：磁敏电阻：InSb、InAs2220)(273. 0BkB0B30二、磁

16、敏电阻的原理及特性二、磁敏电阻的原理及特性1 1、原理、原理IIIIIIBBB传感器技术第七章310)10(1TBl/b=3l/b=1l/b=1/3科尔比诺圆盘2 2、结构、结构传感器技术第七章 形状效应系数形状效应系数 电阻长度电阻长度 电阻宽度电阻宽度blfBk1)(20blflb32磁阻)1 . 0(TB ）电阻（）温度（ C3 3、特性、特性VOUTU传感器技术第七章33PN结型的结型的磁电转换元件磁电转换元件PNI区rI I 区：高阻本征区区：高阻本征区P P、N N：重掺杂区：重掺杂区P-I-NP-I-N结结I I 区两侧处理：区两侧处理：光滑：光滑：I I 面面打毛：复合面（打毛

17、：复合面（ r r 面）面）PNI区r一、磁敏二极管一、磁敏二极管1 1、结构、结构Magneto- diode传感器技术第七章2 2、工作原理、工作原理PNI面r磁场磁场H = 0H = 0： 少量电子和空穴少量电子和空穴 在在 I I 区、区、r r区复合区复合PNI面rH正向磁场正向磁场 H H+ + ： 电子和空穴偏向电子和空穴偏向 r r 区，区， 电流因复合增大而减小电流因复合增大而减小PNI面rH反向磁场反向磁场 H- H- ： 电子和空穴偏向电子和空穴偏向 I I 区，区， 电流因复合减少而增大电流因复合减少而增大传感器技术第七章35 1 3 5 7 9 1 3 5 7 9Ik

18、Gs2kGs5 . 1kGs10kGs5 . 0kGs5 . 0kGs2kGs5 . 1kGs1kGs5 . 1）电压（V根据某一电压下的根据某一电压下的电流值可确定磁场电流值可确定磁场的大小和方向。的大小和方向。 伏安特性伏安特性3 3、主要技术特性及参数、主要技术特性及参数4 4、特点、特点（1 1）灵敏度高：测量弱磁场）灵敏度高：测量弱磁场（2 2）具有正反磁灵敏度）具有正反磁灵敏度（3 3）线性范围较窄）线性范围较窄传感器技术第七章365 5、应用、应用例：漏磁探伤仪例：漏磁探伤仪显示显示仪表仪表激励线圈放大器铁芯钢棒裂纹磁敏二极管探头钢棒：转动、磁化钢棒：转动、磁化显示显示仪表仪表激励线圈放大器铁芯钢棒磁敏二极管探头无损伤部分：无损伤部分：闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号闭合磁路、无泄漏磁通，无输出信号裂纹：裂纹：泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号泄漏磁通、磁敏二极管探头输出信号传感器技术第七章37二、磁敏三极管二、磁敏三极管1 1、结构、结构bcePN