傳感器第7章霍爾傳感器.ppt

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7 4霍耳傳感器是利用霍耳效應(yīng)將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器 特點(diǎn) 靈敏度高 線性好 穩(wěn)定性高 體積小 耐高溫 霍耳式傳感器 7 4 1霍耳效應(yīng) 霍耳傳感器就是基于霍耳效應(yīng) 把一個(gè)導(dǎo)體 半導(dǎo)體薄片 兩端通以控制電流 在與電流不同的方向施加磁感強(qiáng)度B的磁場(chǎng) 在薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流 和磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)勢(shì) 通電的導(dǎo)體 半導(dǎo)體 放在磁場(chǎng)中 電流 與磁場(chǎng)B方向不同時(shí) 在導(dǎo)體另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 這種現(xiàn)象稱霍耳效應(yīng) 霍耳式傳感器 霍耳效應(yīng)是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)力 洛倫茲力 和電場(chǎng)力共同作用的結(jié)果 一塊長(zhǎng)度為b 寬度為a 厚度為d的P型半導(dǎo)體薄片 將它置于磁場(chǎng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)靜止不動(dòng) 當(dāng)y軸方向有電流I流動(dòng)時(shí) 則有一個(gè)負(fù)電子與電流反向以速度v運(yùn)動(dòng) 如圖 7 4 1 1洛倫茲力的形成由磁場(chǎng)理論 帶電導(dǎo)體 電子 在磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)將受磁場(chǎng)力的作用 其大小為由矢量運(yùn)算法則得大小為 霍耳式傳感器 洛倫茲力的方向由以下因素決定 1 決定于v和B之間的夾角2 決定于電荷Q的符號(hào)3 用左手螺旋定則判定若將取為電子 Q e 則電子以速度v與電流相反的方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí) 因切割磁力線而產(chǎn)生洛倫茲力使電子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn) 后面不斷積累電子 前面因失去電子而帶正電荷 7 4 1 2電場(chǎng)力的形成由于前后不斷積累正 負(fù)電荷而形成電場(chǎng)強(qiáng)度E 于是有 霍耳式傳感器 霍耳傳感器 7 4 1 3霍耳電勢(shì)的形成當(dāng)作用于負(fù)電子上的兩個(gè)反向力相等時(shí) 電子積累過(guò)程達(dá)到平衡 此時(shí)Fe FL即 Ee evBsinaE vBsina所以AB前后兩面形成的電勢(shì)為霍耳電勢(shì)為 通過(guò) 半 導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n 電子運(yùn)動(dòng)速度v 薄片橫截面積a d有關(guān) 由霍耳傳感器的工作原理式得 1 UH B2 UH 1 d3 UH的方向與 B有關(guān)4 UH的靈敏度為5 霍耳系數(shù) 霍耳式傳感器 討論 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢(shì) 但不是都可以制造霍爾元件 絕緣材料電阻率很大 電子遷移率很小 不適用 金屬材料電子濃度很高 RH很小 UH很小 半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率 所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體 多電子 由上式可見(jiàn) 厚度d越小 霍爾靈敏度KH越大 所以霍爾元件做的較薄 通常近似1微米 霍耳式傳感器 7 5霍耳元件的符號(hào) 基本電路 霍耳元件的組合使用及輸出電路 7 5 1符號(hào)和基本電路 霍耳式傳感器 7 5 2組合使用電路 控制端并聯(lián) 輸出端串聯(lián) 霍耳式傳感器 7 5 3霍耳電勢(shì)的輸出電路 霍耳器件本身是一個(gè)四端口器件 本身不帶放大器 霍耳片每片輸出電勢(shì)為毫伏級(jí) 在實(shí)際使用時(shí)必須加差分放大器 霍耳元件的輸出電路可分為線性電路和開(kāi)關(guān)電路 線性電路通常選用靈敏度低一點(diǎn) 不等電位小的 穩(wěn)定性和線性好的霍耳元件 開(kāi)關(guān)電路一般選用放大器和靈敏度高的霍耳元件 霍耳式傳感器 霍爾接近開(kāi)關(guān) 線性霍爾元件 霍耳式傳感器 7 6霍耳元件的測(cè)量誤差及補(bǔ)償 霍耳元件在使用中 存在多種因素影響測(cè)量精度 主要有兩類 半導(dǎo)體制造工藝和半導(dǎo)體固有特性 其表現(xiàn)為由零位誤差和溫度誤差而引起的測(cè)量誤差 7 6 1零位誤差及補(bǔ)償霍耳元件的零位誤差是加控制電流而不加磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)的霍耳電勢(shì) 產(chǎn)生的主要原因1 不等位電勢(shì)及補(bǔ)償 霍耳式傳感器 1 當(dāng)A B極處于同一等電位面上時(shí) 電橋平衡 則不等電位 2 當(dāng)A B極不處于同一等電位面上時(shí) 根據(jù)兩點(diǎn)電位高低 判斷應(yīng)在某一臂上并聯(lián)一個(gè)電阻 使電橋平衡 常用的不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路 B 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 2 寄生直流電勢(shì)誤差產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的主要原因是 控制極與霍爾極元件接觸不良 形成非歐姆接觸 2個(gè)霍爾電極大小不對(duì)稱 使2個(gè)電極的熱容量不同 散熱狀態(tài)不同 兩極間出現(xiàn)溫差電勢(shì) 使霍爾元件產(chǎn)生溫漂所致 3 感應(yīng)零位電勢(shì)誤差霍爾元件在交流或脈動(dòng)磁場(chǎng)中工作時(shí) 即使不加控制電流 由于霍爾極分布不對(duì)稱 霍爾端也有一定輸出 其大小正比于磁場(chǎng)的脈動(dòng)頻率 磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值和兩霍爾電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積 4 自勵(lì)磁場(chǎng)零位電勢(shì)誤差當(dāng)霍爾元件通以控制電流時(shí) 此電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng) 稱自勵(lì)磁場(chǎng) 當(dāng)電極引線不對(duì)稱時(shí) 元件兩邊磁感應(yīng)強(qiáng)度不相等 將有自勵(lì)場(chǎng)的零位電勢(shì)輸出 霍耳式傳感器 7 6 2霍耳元件的溫度誤差及補(bǔ)償 霍爾元件是半導(dǎo)體元件 它的許多參數(shù)與溫度有關(guān) 當(dāng)溫度T變化時(shí) 載流子濃度n 遷移率 電阻率 霍爾系數(shù)RH都會(huì)變化 以下是幾種補(bǔ)償方法 恒流源補(bǔ)償 由UH KHIB可見(jiàn)恒流源供電可使UH穩(wěn)定但靈敏度系數(shù)KH RH d 1 ned也是溫度的函數(shù) 霍耳式傳感器 具體補(bǔ)償方法 在霍爾元件上并聯(lián)一R0分流 當(dāng)T增大時(shí) Ri增大 UH增大 H減小 0增大 UH下降 R0自動(dòng)加強(qiáng)分流 使 0增大 H下降 UH下降 補(bǔ)償電阻R0可選擇負(fù)溫度系數(shù) 其他補(bǔ)償方法 輸出回路的負(fù)載補(bǔ)償法 熱敏電阻補(bǔ)償法 輸出回路并聯(lián)電阻補(bǔ)償法 橋路補(bǔ)償法 霍耳式傳感器 常用的測(cè)量電路 集成霍耳傳感器 霍耳式傳感器 7 7霍耳式傳感器的應(yīng)用 霍爾元件符號(hào) 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 集成霍爾元件 霍耳式傳感器 線性集成電路 測(cè)位移 測(cè)振動(dòng) 霍耳式傳感器 開(kāi)關(guān)集成器件 測(cè)轉(zhuǎn)速 開(kāi)關(guān)控制 判斷NS極性 B B 形成切換回差 這是位置式作用傳感器的特點(diǎn) 作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)可防止干擾引起的誤動(dòng)作 形成切換回差 霍耳式傳感器 應(yīng)用 無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān) 霍耳式傳感器 應(yīng)用 天然氣點(diǎn)火電路 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 基于霍耳效應(yīng)的壓力傳感器 它將霍耳元件固定于彈性敏感元件上 在壓力的作用下霍耳元件隨彈性敏感元件的變形而在磁場(chǎng)中產(chǎn)生位移 從而輸出與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào) 保持霍耳元件的激勵(lì)電流不變 而使它在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí) 它輸出的霍耳電勢(shì)大小就取決于它在磁場(chǎng)中的位移量 見(jiàn)半導(dǎo)體磁敏元件 磁場(chǎng)梯度越大 靈敏度就越高 梯度變化越均勻 霍耳電勢(shì)與位移的關(guān)系就越接近于線性 霍耳元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 形小體輕 無(wú)觸點(diǎn) 頻帶寬 動(dòng)態(tài)特性好 壽命長(zhǎng) 而且已經(jīng)商品化 霍耳元件用于壓力傳感器 按照彈性敏感元件的不同有多種結(jié)構(gòu)形式 圖a b中的壓力傳感器分別采用膜盒和波登管作為彈性敏感元件 并由兩塊半環(huán)形五類磁鐵產(chǎn)生梯度均勻的磁場(chǎng) 霍耳式傳感器 7 5磁敏電阻磁敏電阻 Magnetoresistance 是指利用半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)而制成的可對(duì)磁場(chǎng)敏感的元件 磁阻效應(yīng)將一個(gè)載流導(dǎo)體位于外磁場(chǎng)中 除了會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)以外 其電阻值也會(huì)隨著磁場(chǎng)而變化 這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng) 簡(jiǎn)稱為磁阻效應(yīng) 磁阻效應(yīng)是伴隨者霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理效應(yīng) 磁敏電阻就是利用磁阻效應(yīng)制作成的一種磁敏元件 霍耳式傳感器