磁敏式传感器实用教案

1、9.1 霍尔传感器霍尔传感器 1 1、霍尔效应、霍尔效应(xioyng)(xioyng)与霍尔元件与霍尔元件霍尔效应：置于磁场中的通电半导体，在垂直于电场和霍尔效应：置于磁场中的通电半导体，在垂直于电场和磁场的方向产生电动势的现象磁场的方向产生电动势的现象(xinxing)(xinxing)称为霍尔效应。称为霍尔效应。第1页/共37页第一页，共38页。第2页/共37页第二页，共38页。霍尔元件越薄霍尔元件越薄(d越小越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度就越大，薄膜霍尔元件厚度(hud)只有只有1m左右。左右。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。4 42

2、20.1mm0.1mm3 3 激励电极激励电极霍尔电极霍尔电极第3页/共37页第三页，共38页。霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子C C、D D相应相应(xingyng)(xingyng)地称为霍耳端或输出端。地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载, ,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。 器件电流器件电流(dinli)(dinli)(控制电流控制电流(dinli)(

3、dinli)或输入电流或输入电流(dinli):(dinli):流入到器件内的电流流入到器件内的电流(dinli)(dinli)。电流端子电流端子A A、B B相应地称为相应地称为(chn wi)(chn wi)器件电流端、控制电流端或输入电流端。器件电流端、控制电流端或输入电流端。H HAAABBBCCCDDD 2 2、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路、霍耳磁敏传感器的符号与基本电路 第4页/共37页第四页，共38页。控制电流控制电流I I；霍耳电势霍耳电势(dinsh)UH(dinsh)UH；控制电压控制电压E E；输出电阻输出电阻R2R2；输入电阻输入电阻R1R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻

4、R3R3；霍耳电流霍耳电流IHIH。 图中控制电流图中控制电流I I由电源由电源E E供给供给,RW,RW为调节电阻为调节电阻, ,保证器件内所需控制电流保证器件内所需控制电流I I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3,R3R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场(cchng)B(cchng)B垂直通过霍耳器件垂直通过霍耳器件, ,在磁场在磁场(cchng)(cchng)与控制电流作用下，由负载上获得电压。与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路霍耳器件的基本电路R实际使用时实际使用时,

5、 ,器件输入信号器件输入信号(xnho)(xnho)可以是可以是I I或或B B，或者，或者IB,IB,而输出可以正比于而输出可以正比于I I或或B, B, 或者正比于或者正比于其乘积其乘积IBIB。R3RW第5页/共37页第五页，共38页。霍尔元件的转换效率较低，实际应用霍尔元件的转换效率较低，实际应用(yngyng)(yngyng)中，中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的以获得较大的UHUH。霍尔元件霍尔元件(yunjin)的连接电路的连接电路第6页/共37页第六页，共38页。2 2、霍尔元件的材料、霍尔元件的材料

6、(cilio)(cilio)及主要特性参数及主要特性参数霍尔元件多采用霍尔元件多采用N N型半导体材料（高的电阻率和载型半导体材料（高的电阻率和载流子的迁移率）。目前最常用流子的迁移率）。目前最常用(chn yn)(chn yn)的霍尔元的霍尔元件材料有锗件材料有锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs)等半导体材料。等半导体材料。主要特性参数：主要特性参数：额定额定( dng)( dng)激励电流激励电流IHIH灵敏度灵敏度KH KH 输入电阻输入电阻RiRi与输出电阻与输出电阻R0R0第7页/共37页第七页，共

7、38页。不等位电势不等位电势U0U0和不等位电阻和不等位电阻r0 r0 当磁感应强度当磁感应强度B B为零、激励电流为额定值为零、激励电流为额定值IHIH时，时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）势）U0U0。不等位电势。不等位电势U0U0与额定激励电流与额定激励电流IHIH之比称为之比称为不等位电阻（零位电阻）不等位电阻（零位电阻）r0 .r0 . 产生不等位电势的原因主要产生不等位电势的原因主要(zhyo)(zhyo)有：霍尔有：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体

8、材料的不均匀造成了电阻率不均匀或上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。流不均匀分布等。霍尔电势温度系数、内阻温度系数等霍尔电势温度系数、内阻温度系数等 第8页/共37页第八页，共38页。3 3、测量误差及其补偿、测量误差及其补偿(bchng)(bchng)不等位不等位(dn wi)(dn wi)电势误差及其补偿电势误差及其补偿霍尔元件霍尔元件(yunjin)(yunjin)有两对电极，各相邻电极之间的有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为电阻若为r1r1、r2r2、r3r3、r4r4，霍

9、尔元件，霍尔元件(yunjin)(yunjin)可等可等效为一个四臂电阻电桥。效为一个四臂电阻电桥。 （a a）不等位电势）不等位电势 （b b）霍尔元件等效电路）霍尔元件等效电路 第9页/共37页第九页，共38页。能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件势。由于霍尔元件(yunjin)(yunjin)的不等位电势同时也是温的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题 。第10页/共37页第十页，共38页。温度温度(wnd)(wnd)误差及其补偿误差及其补偿常用的补偿电路包括：

10、恒流源激励并联分流电阻补偿常用的补偿电路包括：恒流源激励并联分流电阻补偿电路；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电路；电桥电路；恒压源激励输入回路串联电阻补偿电路；电桥补偿电路；以及采用正、负不同温度系数的电阻或合补偿电路；以及采用正、负不同温度系数的电阻或合理选取负载电阻的阻值理选取负载电阻的阻值(z zh)补偿电路等等。补偿电路等等。第11页/共37页第十一页，共38页。假设初始温度为假设初始温度为T0时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为时有如下参数：霍尔元件的输入电阻为Ri0，选用的，选用的补偿电阻补偿电阻RP0，被分流掉的电流为，被分流掉的电流为Ip0，激励电流，激励电流Ic0，霍尔元件的灵

11、敏，霍尔元件的灵敏度度KH0。当温度升为当温度升为T时，上述时，上述(shngsh)各参数相应为：各参数相应为：Ri、RP、Ip、Ic、KH，且有关系，且有关系)1 ()1 ()1 (000TKKTRRTRRHHPPii、；0TTT分别为输入电阻分别为输入电阻(dinz)、分、分流电阻流电阻(dinz)及灵敏度及灵敏度的温度系数的温度系数 0000iPPcRRRII)1 ()1 ()1 (000TRTRTRIIiPPc由电路(dinl)第12页/共37页第十二页，共38页。00iPRR于是于是(ysh) 对于确定的霍尔元件(yunjin)，其参数是确定值，可由上式求得分流电阻RP0及要求的温度

12、系数，为此，此分流电阻可取温度系数不同的两种电阻进行串并联。)1 ()1 ()1 ()1 (0000000TRTRTRBITKUBIKBIKUiPPHHcHcHH当温度变化当温度变化T时，为使霍尔电势不变则必须有如下时，为使霍尔电势不变则必须有如下(rxi)关系：关系：第13页/共37页第十三页，共38页。4 4、霍尔集成、霍尔集成(j chn)(j chn)传感器传感器 将霍尔元件与放大、整形等电路集成将霍尔元件与放大、整形等电路集成(j chn)在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、在同一芯片上，具有体积小、灵敏度高、价格便宜、性能稳定等优点。性能稳定等优点。 差动输出(shch)

13、线性霍尔集成传感器第14页/共37页第十四页，共38页。霍耳线性集成传感器的主要技术霍耳线性集成传感器的主要技术(jsh)(jsh)特性特性磁感应强度(qingd)B/T5.65.64.64.63.63.62.62.61.61.6-0.3-0.3-0.2-0.2-0.1-0.10 00.10.10.20.20.30.3输输出出(s(shhchch)电电压压U/U/V VSL3501T传感器的输出特性曲线第15页/共37页第十五页，共38页。由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。五部分组成。 稳压电路可使传感器在较宽的电源电压

14、稳压电路可使传感器在较宽的电源电压(diny)(diny)范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各范围内工作；开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。种逻辑电路接口。 霍耳开关集成霍耳开关集成(j chn)(j chn)传感器内部结构框图传感器内部结构框图2 23 3输出输出(shch(shch)+ +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霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器第16页/共37页第十六页，共38页。开关(kigun)型霍尔集成传感器第17页/共37页第十七页，共38页。5 5、霍尔传感器的应用、霍尔传感器的应用(yngyng)(yngy

15、ng) 霍尔位移霍尔位移(wiy)传传感器感器输出电势为UH1UH2。在初始位置时UH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到(d do)输出电压，其大小正比于位移量。 结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽、动态范围大围大( (输出电势变化范围可达输出电势变化范围可达1000:1)1000:1)、寿命长等特点，、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。因此获得了广泛应用。 第18页/共37页第十八页，共38页。 霍尔转速霍尔转速(zhun s)测量测量传感器传感器第19页/共37页第十九页，共38页。电机(dinj)通断控制电

16、路 N S磁钢PST-52512VCC3GNDOUT1 kEb12 V4.7 k2SA1012V1MC0.1 V2第20页/共37页第二十页，共38页。 霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器 霍尔振动霍尔振动(zhndng)(zhndng)传感器传感器第21页/共37页第二十一页，共38页。 霍尔流量计霍尔流量计第22页/共37页第二十二页，共38页。无损无损(w sn)探伤探伤第23页/共37页第二十三页，共38页。9.2 磁敏电阻(dinz) 1、磁阻效应、磁阻效应(xioyng) 当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而当一载流半导体置于磁场中，其电阻值会随磁场而变化变化(binhu)的

17、这种现象称为磁阻效应。的这种现象称为磁阻效应。 在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，在磁场作用下，半导体片内电流分布是不均匀的，改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为改变磁场的强弱就影响电流密度的分布，故表现为半导体片的电阻变化。半导体片的电阻变化。bLfBK/1220第24页/共37页第二十四页，共38页。与霍尔效应的区别：即霍尔电势与霍尔效应的区别：即霍尔电势(dinsh)(dinsh)是指垂直于电是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。化。 磁阻效应(xioyng)与材料性质及几何形状有关，一般迁移

18、率大的材料，磁阻效应(xioyng)愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应(xioyng)愈大。 第25页/共37页第二十五页，共38页。2、磁敏电阻的结构、磁敏电阻的结构(jigu)与特性与特性 磁敏电阻常选用磁敏电阻常选用InSbInSb、InAsInAs和和NiSbNiSb等半导体材料，等半导体材料，在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄在绝缘基片上蒸镀薄的半导体材料，也可在半导体薄片上光刻或腐蚀成型片上光刻或腐蚀成型(chngxng)(chngxng)（栅状结构）。（栅状结构）。 第26页/共37页第二十六页，共38页。主要特性：主要特性：磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；

19、磁电特性：电阻的增量与磁场的平方成正比；与磁场的正负与磁场的正负(zhn f)(zhn f)无关；无关；温度特性：温度系数影响大；温度特性：温度系数影响大；频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比频率特性：工作频率范围大；磁感应的范围比霍尔元件大。霍尔元件大。第27页/共37页第二十七页，共38页。3、磁敏电阻、磁敏电阻(dinz)的应用的应用 磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位磁头；接近开关和无触点开关；也可用于位移移(wiy)(wiy)、力、加速度等参数的测量。、力、加速度等参数的测量。 R1、R2磁敏电阻磁敏电阻(dinz)位移传感器位移传感器 第28页/共37页第二十八页，共38页

20、。9.3 磁敏二极管和磁敏三极管磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管是一种磁敏二极管和磁敏三极管是一种PNPN结型的新型磁电结型的新型磁电转换器件，它具有输出转换器件，它具有输出(shch)(shch)信号大、灵敏度高信号大、灵敏度高（约为霍尔元件的数百至数千倍）、工作电流小、体（约为霍尔元件的数百至数千倍）、工作电流小、体积小等特点，在磁场、转速、探伤等检测与控制中应积小等特点，在磁场、转速、探伤等检测与控制中应用广泛。用广泛。1、磁敏二极管、磁敏二极管第29页/共37页第二十九页，共38页。 工作工作(gngzu)原理原理磁场强度磁场强度(cchng qingd)的改变引起电流发

21、生变化，的改变引起电流发生变化，实现磁电转换。实现磁电转换。 第30页/共37页第三十页，共38页。主要主要(zhyo)特性特性u伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电伏安特性：不同磁场作用下所加正向偏压与二极管流过电流流(dinli)的关系。的关系。u磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。磁电特性：输出电压的变比与外加磁场的关系。u温度特性：温度系数的影响。温度特性：温度系数的影响。u频率特性：与材料、尺寸有关。频率特性：与材料、尺寸有关。 第31页/共37页第三十一页，共38页。2、磁敏三极管、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。当在正反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。当受到正向受到正向(zhn xin)(zhn xin)磁场磁场(H+)(H+)作用时，载流子向发作用时，载流子向发射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场射极一侧偏转，使集电极电流减小。当受到负向磁场(H-)(H-)作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流作用时，载流子向集电极一侧偏转，使集电极电流增大。增大。 第32页/共37页第三十二页，共38页。主要特性主要特性(txng)（普通三极管）（普通三极管）u伏安特性：不同磁场作用伏安特性：不同磁场作