传感器7 磁传感器.ppt

第七章 磁传感器;7.1霍尔元件; 霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件。霍尔效率的原理如图7.1所示。图中半导体为长方体，在电场E的作用下，电流在正面平行流过，如果没有磁场作用，电子是均匀分布的，如图7.1（a）所示。如果在半导体正面垂直方向加上磁场B，则在加上磁场的瞬间，电子在洛伦兹力的作用下向下方偏移，如图7.1（b）所示。这样，在半导体下侧方向上电子过剩而上侧方向电子不足，于是就产生了一个横方向上的电场，这就是霍尔电场，如图7.1(c)所示。霍尔电场产生一定大小的静电力与洛伦兹力相平衡，使得半导体内的电子仍能平行地沿正面向前运动，在半导体横面上存在一个电压，这种霍尔电压，这种的现象就是霍尔效应。;;; 霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH愈大UH愈大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质和尺寸。材料的电阻率 和电子迁移率 大， 就大，输出的UH也就大，所以在选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的RH尽可能地大。元件的厚度愈大，UH愈小，所以霍尔元件的厚度都比较小，但d太小，会使元件的输人、输出电阻增加。 霍尔元件较常采用的半导体材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟(InAs)、砷化镓(CaAs)及磷砷化铟(InAsP)、N型硅（Si）等。锑化铟元件的输出较大，受温度的影响也较大；砷化铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好；砷化镓元件的温度特性和输出线性好，但价格贵。; 霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如， 体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。 而膜式霍尔元件则是在一块极薄（0.2mm）的基片上用蒸发或外延的方法制成一种半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊引线，并最后封装。 由于霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电势，所以在制作时都有很严格的要求。 ;1.输入电阻RIN 和输出电阻ROUT 霍尔元件输入1和输入2的控制电流极间电阻为输入电阻RIN；输出1和输出2的霍尔??压极间电阻为输出电阻ROUT。 2.额定控制电流IC 给霍尔元件通以电流，能使霍尔元件在空气中产生100C温升的电流值，称为控制电流IC。 3.不等位电势V0 霍尔元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电压的理想值应为零，但由于存在着电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍尔元件会输出电压，该电压称为不等位电势V0，其值与输入电压、电流成正比。V0一般很小，不大于1mV.; 4.霍尔电压VH 将霍尔元件置于B=0.1T的磁场中，再加上输入电压，此时霍尔元件的输出电压就是霍尔电压VH 。图7.3是霍尔元件在恒流源和恒压源下的霍尔电压VH 和磁通密度B之间的典型曲线。; 5.霍尔电压的温度特性 当温度升高时，霍尔电压减小，呈现负温度特性。表7.1为一些霍尔元件的主要技术指标。;; 2、温度补偿电路 由温度引起的误差可以采用并联电阻的方法来补偿，其计算公式为R=βRin/α,式中α、β、R可从参数表中查出。具体电路如图7.5所示。; 1. 霍尔元件的特点 （1）霍尔元件可以测量磁物理量及电量，还可以通过转换测量其它非电量。 （2）由于霍尔元件的输出量是比例与两个输入量的乘积，因此，可以方便而准确地实现乘法运算，可构成各种非线性运算部件。 （3）输出信号的信噪比大。 （4）频率范围宽。一般的霍尔元件都工作在从直流到数百千赫兹的频率范围内。 （5）体积小（一般为10 ～10cm），重量轻，使用方便。 （6）稳定性好，寿命可使用无限次。;2、霍尔元件的应用范围 霍尔元件在工程技术上的应用相当广泛，如无线电技术、计算机技术、自动控制技术等、具体的应用产品有高斯计、霍尔罗盘、大电流计、功率计、调制器、位移传感器、微波功率计、频率倍增器、回转器、乘法器、磁带或磁鼓读出器、霍尔电机，等等。; 霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。 7.2.1霍尔开关集成传感器的结构及工作原理 霍尔开关集成传感器是以硅为材料，利用硅平面工艺制造的。硅材料制作霍尔元件是不够理想的，