Transcript 第五章磁传感器
第七章 磁传感器 磁电式传感器 (电动式传感器或感应式传感器) 磁传感器 运动速度 电磁感应原理 感应电势 磁电式血流量计 磁敏式传感器 (对磁场敏感的元件) 霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管 第一节 磁电式传感器 一、磁电式传感器的基本原理 根据电磁感应定律，当穿过 W 匝线圈的磁通量 随时间 变化时，其感应电动势 e 正比于磁通量对时间的变化率。 d e W dt 线圈对磁场的相对运动速度 线圈做直线运动 dx e WBL sin WBLv sin 线圈运动方向与 dt 磁场方向的夹角 磁感应强度 90 每匝线圈长度 e WBLv 线圈做直线运动的磁电式传感器 线圈做旋转运动 d ( BA cos ) d e(t ) W WBA sin WBA sin t dt dt 线圈面的法线方向 与磁场方向的夹角 t 90 k * 360 线圈所包围的面积 e Em WBA 线圈做旋转运动的磁电式传感器 角频率 d dt 结论: 当传感器结构一定时, B 、A 、L 、W 均为常数. e v( ) 当测得感应电动势,即可知道线速度或角速度.即磁电 式传感器可以用来测量速度. 若在感应电势的测量电路中接一积分电路，输出电势与位 移成正比；若在测量电路中接一微分电路，输出电势与加速度 成正比． 磁电式传感器可以用来测量运动中的位移或加速度. 有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不 需要外接的能源或激励源. 无源传感器不能直接转换能量形式. e WBLv e Em WBA 第二节 电磁流量计 磁电式传感器的应用:胸式心音传感器、流量计等 （测量血液等流量，称为电磁流量计） 能够连续测量血液的瞬时流速或平均流速， 并换算出流量 一、电磁流量计的工作原理 实际: 当导电液体在非导磁的导 管中以均匀速度流动，其流动方向 与磁场方向垂直 物理情景：一长为导管直径的 导线在做切割磁力线运动 e 2rB v 感应电势 导管半径 导管内液体的速度 气隙的磁感应强度 由于液体在管道中横截面上的流速是不均匀的，导管 轴心处的速度最快，越靠近导管壁流速越小，并以导管轴 线为对称 e 2rB v Q v r 2 2 B Q e r 结论：对于一定的导管直径和感应强度，电动势仅取决于瞬 时的流量．与流速分布的形态无关。 二、电磁流量计的医学应用－－－－电磁血流量计 （一）电磁血流量计的组成 电磁血流量计由流量传感器和电路系统组成，电磁流量 计传感器又称作电磁探头，它的作用是将血流量转换成相应 的电压信号． 传感器 探头部分 电压 信号 测量 放大器 低通滤波 放大器 记录器 指示器 激 磁 电 流 激励器 用来产生磁场 控制 电路 脉冲 发生器 电源 （一）电磁血流量计的探头 1、血管外电磁血流传感器 •钳形传感器 用途：心血管手术的监护 选择内孔径与血管外径紧密配 合的探头，将被剥落的血管经传感 器的开口滑入内孔中。 •管形传感器 用途：动物实验 将被测血管切断，把血管套封 于传感器的管口上，或用导管将血 液引出体外，再把导管套封于传感 器的管口上。 2、导管尖端式电磁血流传感器 置于导管尖端，用以测量血管内血液状态的传感器 主动脉根部血流的测量 误差大 3、外磁场式插入型血流量探头 动物实验 需由外界提供磁场 第三节 霍尔传感器 被测量(电流、磁场、位移、压力等) 霍尔元件 （霍尔效应） 电动势 霍 耳 效 应 一、霍尔传感器的工作原理及特性 （一）、霍尔效应 1、定义：将金属或半导体 薄片置于磁场B中（磁场方向垂 直于薄片），在薄片控制电极 通以电流I，在垂直于电流和磁 d 场的方向上将产生感应电势U H 此现象为霍尔效应。 B +- +- - FL FE + +- - UH I b L 2、原理：电子在磁场中受洛伦兹力 FL 作用电子向极板 一方偏转，积累电子。一边积累电子，另一边积累正电荷， 形成电场。该电场产生的电场力 FE 阻止电子继续偏转，达 到动态平衡时，电场力和洛伦兹力相等 霍尔电场 EH：前后两端面之间建立的电场 霍尔电势 U H：相应的电势 设薄片的长、宽、厚分别为Ｌ、 b 、 d UH FE eE H e FL evB b FL F E 0 UH evB e b - +- d U H vbB B +- - FL FE + +- - UH I b L 当材料中的电子浓度为n时， 霍尔系数，由载流材料的物理性质所 1 决定 RH ne I vbdne I v bdne 灵敏度系数，它与载流材料的 物理性质和几何尺寸有关 IB IB U H vbB RH k H IB R ned d kH H d 若磁场和薄片法线有 夹角，则 U k IB cos H H 金属材料中自由电子浓度很高，因此霍尔系数很小， 使输出霍尔电势很小，不宜做霍尔元件．霍尔式传感器中 的霍尔元件都是由半导体材料制成的，且多用Ｎ型半导体 材料．霍尔元件越薄，灵敏度系数越大． 当载流材料和几何尺寸确定后，霍尔电势的大小正比 于控制电流和磁感应强度，因此霍尔元件可用于测量磁场 （电流恒定）和检测电流（磁场恒定）． (二) 霍尔元件的电磁特性 U H I 特性:霍尔输出电势与控制电流之间的关系 U H B 特性:霍尔输出电势与磁场之间的关系 RB 特性:元件的输入或输出电阻与磁场之间的关系 1、 U H I 特性: 磁场一定，在一定环境温度下，控制电流与霍尔输出电势 之间呈线性关系。 斜率： k1 kH B 控制电流灵敏度 灵敏度系数越大的元件,其控制电流灵敏度一般也越大. 但灵敏度系数大的元件.其霍尔电势输出不一定大. 2、U H B 特性 当控制电流保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的 增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离。 只有B<0.5T时，二者才呈较好线性． HZ-1、2、3、4型元件是用锗材料按不同晶向切割而成 的晶片制成的霍尔元件。 ３、R B 特性 霍尔元件的内阻随磁场的绝对值的增加而增加，这种现 象称为磁阻效应 +- +- + +- +- +- FE + FL - +- +- +- v1 - FL <FE FL - - v2 - - FL =FE 磁场方向指向纸内 +- FE FE - + FL v3 - - FL >FE - v1< v2< v3 产生的原因：在霍尔元件中，各载流子的运动速度并不 是完全相同．对某种速度运动的电子，若霍尔电场作用力恰 好抵消洛仑磁力，电子沿直线运动；小于此速度的电子将沿 霍尔电场运动方向偏转；而大于此速度的电子将沿洛仑磁力 方向偏转．这种偏转将使沿控制电流电场方向的电流密度减 小，也就是由于磁场的存在增加了元件的内阻． 利用磁阻效应制作的元件叫磁阻元件 二、霍尔元件的误差及其补偿 （一）、霍尔元件的零势补偿 不等位电势(最主要)、寄生直流电势、感应零电势、 自激磁场零电势。 1、不等电势及其补偿 定义:当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时,它的霍 尔输出端之间仍有空载电势存在,该电势就称为不等电势. 产生原因： ①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸 不均匀; ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 两电极不在 同一等电位面上 等电位面歪斜 补偿方法： ①改进工艺; ②补偿电路. 霍尔元件可等效为一四臂电桥,如a),因此可在某一桥 臂上并上一定电阻而将不等电势降到最小. 2.寄生直流电势 当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时,霍尔输 出除了交流不等位电势外,还有直流电势分量,称为寄生直流 电势. 原因： ①由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应. ②两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产 生的。 3、感应零电势 霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电 流，霍尔端也会有输出，这个输出就是感应零电势。 原因：霍尔电极的引线布置不合理造成。 4、自激磁场零电势 当霍尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场，该 磁场称为自激场。 （二） 霍尔元件温度误差及补偿 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的许多 参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的 载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化, 致使霍尔电动势变化，产生温度误差。 1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化引起霍尔元件输入电阻的变化,为防控制电 流的变化,采用稳定度为 0.1%的恒流源. 由于元件的灵敏度系数也随温度变化,因此采用恒流 源后仍有温度误差. 为进一步提高霍尔电势的温度稳定性,对具有正温度系 数的霍尔元件,可在其输入回路中并联电阻 设温度 T0时,元件灵敏度系数为 k H 0 ,输入电阻为 Ri 0 , 而温度上升到 T 时,它们分别为 kHT RiT kHT kH 0 [1 (T T0 )], RiT Ri 0 [1 (T T0 )] 霍尔元件灵敏度温度系数 IH RP I RP I IH 0 RP Ri RP Ri 0 元件的电阻温度系数 I HT RP I RP Ri 0 [1 (T T0 )] 为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证 kH 0 I H 0 B kHT I HT B 将有关式代入可得 RP Ri 0 2.采用恒压源供电和输入回路串联电阻 电流源电压源等效电路 3．合理选取负载电阻 RL 的阻值 RLU H 0 [1 (t t0 )] UL RL Ro 0 [1 (t t0 )] dU L 0 d (t t0 ) RL Ro 0 1 4．采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝等) 三、集成霍尔传感器 定义：将霍尔元件和其相应的放大、处理电路集成 在一 个半导体基片上 常用：集成线性霍尔传感器、集成开关式霍尔传感器 （一）、集成线性霍尔传感器 工作原理：输出信号和输入信号间成线性关系，根 据它们之间的线性关系，能方便的通过对输出信号的测 量来求出被测量的大小 （二）、集成开关式霍尔传感器 当磁感应强度超过开启阈值时，输出才有效，而当 磁场下降到断开阈值时，输出才无效。 高低电平 磁电式传感器 (电动式传感器或感应式传感器) 磁传感器 运动速度 电磁感应原理 感应电势 磁电式血流量计 磁敏传感器 (对磁场敏感的元件) 霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管 第四节 其他类型的磁传感器 一、磁敏电阻式传感器 当一载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化，这 种现象叫磁阻效应。 基于磁阻效应的磁敏元件叫磁敏电阻器。 温度恒定时，磁阻效应方程为 B 0 (1 0.273 2 B 2 ) 磁感应强度为 B的电阻率 零磁场下的 电子迁移率 电阻率 磁感应强度 磁场一定，迁移率越高的材料，其磁阻效应越明显． 磁阻电阻的灵敏度一般是非线性的，受温度影响大 二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁灵敏度高(比霍尔元件高数百倍甚至数千倍),能识别 磁场的极性、体积小、电路简单等特点。 i区 N区 （一）、磁敏二极管 P区 １、结构： (以2ACM-1A型为例) P+-i- N+ _ + i区：本征区，导电高纯度锗 P区、N区：位于i区的两端， 由合金法制成。 P区产生空穴， N区产生电子 r区：高复合区（在此区的电子和 空穴很快复合），位于i区的一测 r区的另一侧：光滑无复合表面 r区 + _ 在没有外加磁场时，大部分的空穴和电子分别流入N ＋区和P＋区而产生电流，只有很少一部分载流子在i区复合， 如图(a)所示 P+ i r B=0 (a) 无磁场 N+ 若给磁敏二极管外加一个 磁场B＋时，在正向磁场的作 用下，空穴和电子在洛仑兹力 的作用下偏向r区，如图(b)所 示。由于空穴和电子在r区的复 合速率大，因此载流子复合掉 的比没有磁场时大得多 ． 载流子密度减少 P+ 电流减小 （内阻增大） i r B+ (b) 加正向磁场 PI、NI结 电压减小 N+ 当给磁敏二极管加一个反 向磁场B-时，载流子在洛仑兹 力的作用下均偏离复合区r， 如图(c)所示。其偏离r区的结 果与加正向磁场时的情况恰恰 相反，此时磁敏二极管的正向 电流增大，电阻减小。 载流子密度增大 P+ 电流增大 （内阻减小） i N+ r B- (c) 加反向磁场 PI、NI结 电压增大 磁敏二极管反向偏置时，仅流过很小的电流，几乎 与磁场无关，二极管两端电压不会因磁场作用而有任何变 化． 2、磁敏二极管的主要特性 (1)、伏安特性 给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的 电流的关系曲线。 当所加偏压一定时，磁场按正方向增加时，二极管电阻 增加，电流减小，反之电阻减小，电流增加。在同一磁场作 用下，电流越大，输出电压越大。 （2）、磁电特性 输出电压变化量与外加磁场的关系 在弱磁场下（0.1T以下）输出电压与磁场强度成正比， 随磁场强度增加，曲线趋向饱和 （3）、温度特性 输出电压变化量随温度变化的规律。 温度升高时，电流急增，电压减小。 （二）磁敏三极管工作原理和主要特性 1、磁敏三极管的结构和工作原理 （1）结构 在弱P型本征半导体上用 合金法或扩散法形成三个结， 即发射结、基极结、集电结。 在长基区的侧面制成一个 复合速度很高的复合区r，长基 区分为输运基区和复合 基区。 （2）、工作原理 不受磁场作用时，载流子除少部 分输入到集电极外，大部分通过 e-i-b,形成基极电流．基极电流 大于集电极电流，所以 β I c 1 Ib 当受到Ｈ＋磁场作用时， 由于洛伦兹力的作用，载流子 向发射结一侧偏转，从而使集 电极电流下降． B+ 当受到Ｈ－磁场作用时， 由于洛伦兹力的作用，载流 子向集电结一侧偏转，从而 使集电极电流增大． B- 某霍尔元件尺寸L=10mm，W=3.5mm，d=1.0mm，沿L 方向通一电流I=1.0mA,在垂直于L和W的方向加有均匀磁场 B=0.3T，灵敏度为22V/(A*T),试求输出霍尔电势及载流子浓 度。 利用恒压源和输入回路串联电阻RT对霍尔元件进行温 度补偿的电路如图所示，试推导RT应满足的条件。 RT E UH