cP22第四章[5磁敏傳感器]lpj1.ppt

1,第五節(jié) 磁敏傳感器,一、霍爾元件,霍爾效應(yīng)將導(dǎo)電體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在a、b端通以電流I，則在c、d端就會(huì)出現(xiàn)電位差。,霍爾效應(yīng)原理：在磁感強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，電荷為q、運(yùn)動(dòng)速度為 的帶電粒子，所受的磁場(chǎng)力洛侖茲力，為,2,霍爾電勢(shì)UH為, 霍爾元件一般由鍺(Ge)、銻化銦(InSb)等半導(dǎo)體材料制成?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖示。將霍爾片、穩(wěn)壓電源、溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上，即構(gòu)成線性霍爾傳感器。,3, 霍爾傳感器有單端輸出和雙端輸出（差動(dòng)輸出）兩種電路。, 開關(guān)型霍爾傳感器：由霍爾元件、放大器、施密特整形電路和集電極開路輸出等部分組成。,4,關(guān)于施密特觸發(fā)器,施密特觸發(fā)器的工作特點(diǎn)：, 施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，適用于緩慢變化的信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到某一定電壓值時(shí)，輸出電壓會(huì)發(fā)生突變。, 電路有兩個(gè)閾值電壓。 輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，電路的閾值電壓不同，電路具有如下圖所示的傳輸特性 。,5,門電路組成的施密特觸發(fā)器,vI1,6,霍爾傳感器應(yīng)用,1）直流無刷電機(jī)的位置傳感器，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，以 實(shí)現(xiàn)換向,S,7,2）測(cè)轉(zhuǎn)角,8,2）測(cè)轉(zhuǎn)角,9,3）電流傳感器/鉗形表,當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)。,10,葉片和齒輪位置傳感器,4）葉片和齒輪位置傳感器,11,5）汽車速度測(cè)量,12,1一軸 2一外殼 3電路 4一定子 5線圈 6一霍爾元件 7一永磁轉(zhuǎn)子,6）電動(dòng)自行車/霍爾電機(jī),13,7）鐵磁材料裂紋檢測(cè),14,案例：輸油管檢測(cè)用管道豬(Pigging),15,霍爾元件可以用來測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度、位移、力、速度、角度等。其特點(diǎn)是體積小、使用間便、無接觸測(cè)量，但受溫度影響較大，在做精密測(cè)量時(shí)應(yīng)作溫度補(bǔ)償。,二、磁敏電阻, 磁阻效應(yīng)當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化。磁敏電阻就是基于磁阻效應(yīng)工作的。, 磁阻效應(yīng)是伴隨霍爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)后，其從一個(gè)電極到另一個(gè)電極所經(jīng)過的途徑，要比無磁場(chǎng)作用時(shí)所經(jīng)過的途徑長(zhǎng)些，因此增加了電阻率。, 磁阻效應(yīng)與半導(dǎo)體材料的遷移率，幾何形狀有關(guān)。一般遷移率愈高，元件的長(zhǎng)寬比愈小，磁阻效應(yīng)愈大。, 制造磁敏電阻的材料：銻化銦(InSb),砷化銦(InAs)等。,16, 磁電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn),處于磁場(chǎng)中的磁阻器件和一個(gè)外接電阻串聯(lián)，接在恒流源的分壓電路中，通過對(duì)R的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)磁阻器件中電流的大小，電壓表聯(lián)接1或2可以分別監(jiān)測(cè)外接電阻的電壓和磁阻器件的電壓。, 實(shí)用的磁敏電阻在無磁場(chǎng)時(shí)的初始電阻值R0可達(dá)幾百歐姆，在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T時(shí)，其阻值RB與R0的比值可高達(dá)12左右。,17, 磁敏電阻是兩端器件，使用方便，但受溫度影響很大，制作工藝難度大，應(yīng)用受到限制。,三、磁敏管,1 磁敏二極管,（1）磁敏二極管的結(jié)構(gòu) 有硅磁敏二級(jí)管和鍺磁敏二級(jí)管兩種。與普通二極管區(qū)別：普通二極管PN結(jié)的基區(qū)很短，以避免載流子在基區(qū)里復(fù)合，磁敏二級(jí)管的PN結(jié)卻有很長(zhǎng)的基區(qū)，大于載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，但基區(qū)是由接近本征半導(dǎo)體的高阻材料構(gòu)成的。一般鍺磁敏二級(jí)管用=40cm左右的P型或N型單晶做基區(qū)(鍺本征半導(dǎo)體的=50cm)，在它的兩端有P型和N型鍺，并引出，若代表長(zhǎng)基區(qū)，則其PN結(jié)實(shí)際上是由P結(jié)和N結(jié)共同組成。 以2ACM1A為例，磁敏二級(jí)管的結(jié)構(gòu)是P+IN+型。,18,磁敏二極管 (a)結(jié)構(gòu) (b)電路符號(hào),在高純度鍺半導(dǎo)體的兩端用合金法制成高摻雜的P型和N型兩個(gè)區(qū)域，并在本征區(qū)（I）區(qū)的一個(gè)側(cè)面上，設(shè)置高復(fù)合區(qū)(利用噴砂打毛，形成粗糙的表面，稱為r面。由于粗糙的表面處容易使電子空穴對(duì)復(fù)合而消失，故r面是高復(fù)合區(qū)， 也稱為r區(qū))，而與r區(qū)相對(duì)的另一側(cè)面，保持為光滑無復(fù)合表面。這就構(gòu)成了磁敏二極管的管芯，其結(jié)構(gòu)如圖。,19,（2）磁敏二極管的工作原理,當(dāng)磁敏二極管外加正向偏壓，即P區(qū)接電源正極，將有大量空穴從P區(qū)注入到I區(qū)。若將其放入磁場(chǎng)中，則注入的空穴和電子都要受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴，電子向r面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們將大量復(fù)合，因而電流很??；當(dāng)磁場(chǎng)方向使空穴，電子向光滑面偏轉(zhuǎn)時(shí)，它們的復(fù)合率變小，電流就大。故可根據(jù)某一偏壓下的電流值來確定磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和磁場(chǎng)方向。,當(dāng)磁敏二極管反向偏置時(shí)，在r區(qū)僅流過很微小的電流，顯得幾乎與磁場(chǎng)無關(guān)。因而二極管兩端電壓不會(huì)因受到磁場(chǎng)作用而有任何改變。,20,磁敏二極管優(yōu)點(diǎn)：1）靈敏度高，約為霍爾元件的數(shù)百甚至上千倍；2）可識(shí)別磁場(chǎng)方向，且線路簡(jiǎn)單，功耗小。 缺點(diǎn)：靈敏度與磁場(chǎng)關(guān)系呈線性的范圍比較窄，且受溫度影 響大。,2 磁敏三極管,（1）磁敏三極管的結(jié)構(gòu),在弱P型或弱N型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長(zhǎng)?；鶇^(qū)結(jié)構(gòu)類似磁敏二極管，有高復(fù)合速率的r區(qū)和本征I區(qū)。長(zhǎng)基區(qū)分為運(yùn)輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。,21,當(dāng)磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)，由于基區(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子通過e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流的情況，使l。,（1）磁敏三極管工作原理,22,由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)明顯變化。這樣就可以利用磁敏三極