传感器原理及应用 教学课件 作者 程德福 第四章 磁传感器1-3.ppt

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1、第四章磁传感器第一节 概述第二节霍尔磁敏传感器第三节磁敏电阻第四节感应式磁敏传感器第五节磁通门式磁敏传感器第六节质子旋进式磁敏传感器第七节 光泵式磁敏传感器第八节SQUID磁敏传感器磁敏传感器是对磁场参量(B,H,φ)敏感的元器件或装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。1质子旋进式磁敏传感器光泵式磁敏传感器SQUID（超导量子干涉器）磁敏传感器磁通门式磁敏传感器感应式磁敏传感器半导体磁敏传感器霍尔器件、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管机械式磁敏传感器光纤式磁敏传感器法拉弟磁光效应型、磁致伸缩型、磁力作用型磁敏传感器的种类2一、霍耳效应——Halleffect当电流垂直于外磁场方向通过导体

2、或半导体薄片时,在垂直于电流和磁场方向的两侧产生电势差的现象叫做霍尔效应。第二节霍耳磁敏传感器w3设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q—电子电量(1.62×10-19C)；v—电于运动速度。同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时4霍耳电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成：电流密度j=－nqvn—N型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体RH—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率p—P型半导体中的孔穴浓度μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金

3、属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。5设KH=RH/dKH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：UH＝KHIBUH＝KHIBcosθ6注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，

4、RH很小，UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。7二、基本特性1、直线性：指霍耳器件的输出电势UH分别和基本参数I、U、B之间呈线性关系。UH=KHBI2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH——乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA·0.1T)。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。8KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元

5、件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。若控制电流值固定，则：UH＝KBB若磁场值固定，则：UH＝KII98060402000.20.40.60.81.0VH/mVλ=∞λ=7.0λ=1.5λ=3.0B/T理论值实际值UHR3I霍耳电势的负载特性λ=R3/R2霍耳电势随负载电阻值而改变的情况3、负载特性104、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（

6、b）ρ与温度的关系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200InSbInAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmInAs20015010050InSbT/℃0双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。砷化铟碲化铟116、频率特性磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内

7、部产生涡流的缘故。注意：涡流磁效应的电流与磁场频率成正比，当磁场频率变化不大时（0～10kHz），涡流不大，故可以不考虑附加霍耳电势的作用；但是当磁场频率增加到数百千赫时，情况就不同了。5、工作温度范围锑化铟为0～+40℃，锗为-40～+75℃，硅为-60～+150℃。127、不等位电势U0定义：霍尔器件在额定控制电流下，无外磁场时，两个霍尔电极之间的开路电势差。13霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输