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1、第6章固態(tài)傳感器固態(tài)傳感器利用某些固體材料的機(jī)械、電、磁等的物性型變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的直接測(cè)量。制造固態(tài)傳感器的固體材料以半導(dǎo)體材料用得最多。本章主要對(duì)利用半導(dǎo)體技術(shù)制造的磁敏、濕敏等幾類(lèi)固態(tài)傳感器的原理及相關(guān)特性進(jìn)行介紹。第6章固態(tài)傳感器第6章固態(tài)傳感器6.1磁敏傳感器6.2濕敏傳感器6.3其他固態(tài)傳感器6.1.1霍爾式傳感器6.1.2其他磁敏傳感器6.1磁敏傳感器6.1磁敏傳感器磁敏傳感器是把磁物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器,大多是基于載流子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)的機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)物理量的信號(hào)檢測(cè)。它的應(yīng)用可以分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩類(lèi),前者包括測(cè)量磁
2、場(chǎng)強(qiáng)度的各種磁場(chǎng)計(jì),如地磁的測(cè)量、磁帶和磁盤(pán)信號(hào)的讀出、漏磁探傷、磁控設(shè)備等;后者是指利用磁場(chǎng)作為媒介來(lái)探測(cè)非磁信號(hào),如無(wú)接觸開(kāi)關(guān)、無(wú)觸點(diǎn)電位器等等。6.1.1霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)與霍爾元件1霍爾元件基本特性2霍爾式傳感器的應(yīng)用3霍爾效應(yīng)和霍爾元件一塊長(zhǎng)為l、寬為b、厚為d的半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)(磁場(chǎng)方向垂直于薄片)中,當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)Un。這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?;魻柺絺鞲衅魇怯苫魻栐M成?;魻栃?yīng)和霍爾元件令則(6-1)(6-2)(6-3)RH為霍爾傳感器的霍爾常數(shù),其大小由載流材料的物理性質(zhì)決定。
3、霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān),還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān),一般要求霍爾元件靈敏度越大越好。若磁場(chǎng)B和霍爾元件平面的法線成一角度θ,則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bcosθ,因此:(6-4)霍爾效應(yīng)和霍爾元件控制電流級(jí)霍爾電極a、b兩根引線稱為控制電流端引線,其焊接處稱為控制電流極(或稱激勵(lì)電極)。c、d兩根霍爾輸出引線,其焊接處稱為霍爾電極(要求歐姆接觸)?;魻栃?yīng)和霍爾元件霍爾元件基本特性輸入電阻和輸出電阻輸入電阻指控制電流極間的電阻值。輸出電阻指霍爾電極間的電阻值。額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱
4、為額定激勵(lì)電流。以霍爾片允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的電流稱為最大允許激勵(lì)電流。不等位電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以額定激勵(lì)電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在,該電勢(shì)就稱為不等位電勢(shì)?;魻栐咎匦圆坏任浑妱?shì)的補(bǔ)償產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因主要有:霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上。此外,材質(zhì)不均勻、幾何尺寸不均勻等原因?qū)Σ坏任浑妱?shì)也有一定的影響??梢园鸦魻栐刃閳D6-5所示的電橋電路。根據(jù)A、B兩點(diǎn)電位的高低,判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻?;魻栐咎匦猿R?jiàn)的幾種補(bǔ)償電路如圖6-6所示,其中圖6-6(c)相當(dāng)于在等效電橋的兩個(gè)橋臂上同時(shí)
5、并聯(lián)電阻,調(diào)整比較方便?;魻栐c一般半導(dǎo)體器件一樣,對(duì)溫度變化十分敏感?;魻栐`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫(xiě)成:KH0表示溫度T0時(shí)的KH值;△T=T-T0表示溫度變化值;α為霍爾元件靈敏度的溫度系數(shù)為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,還可以采用其他措施。(6-6)霍爾元件基本特性保持KH·I乘積不變,抵消靈敏度系數(shù)KH因溫度增加的影響。基于這一思想,可以采用圖6-7所示的補(bǔ)償電路。設(shè)在某一基準(zhǔn)溫度T0時(shí),恒流源輸出電流為I,霍爾元件的控制電流為IH0,霍爾元件的內(nèi)阻為R0,補(bǔ)償電阻r0上流過(guò)的電流為I0,根據(jù)上圖可得恒流源供
6、電1(6-7)(6-8)霍爾元件基本特性當(dāng)溫度上升△T達(dá)到溫度T時(shí),霍爾元件的內(nèi)阻為R=R0(1+β△T),補(bǔ)償電阻的阻值為r=r0(1+δ△T),?、?分別為霍爾元件內(nèi)阻、補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)(6-9)(6-10)對(duì)上式進(jìn)行整理,并忽略(ΔT)2項(xiàng)可得(6-11)霍爾元件基本特性由于霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)?、補(bǔ)償電阻溫度系數(shù)?比霍爾元件內(nèi)阻溫度系數(shù)?小得多,即:????,????,于是式(6-11)可以簡(jiǎn)化為:(6-12)由式(6-12)可見(jiàn),當(dāng)霍爾元件選定后,通過(guò)查元件的參數(shù)表可得到?、?、R0,從而可以確定補(bǔ)償電阻r的阻值?;魻栐咎匦圆捎脽崦綦娮?
7、霍爾元件基本特性霍爾式傳感器的應(yīng)用電流、磁場(chǎng)、位移、角度、轉(zhuǎn)速、壓力、功率……結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單形小體輕使用方便霍爾式微位移傳感器霍爾式傳感器的應(yīng)用如果保持霍爾元件的激勵(lì)電流不變,而讓它在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí),則其輸出的霍爾電勢(shì)就取決于它在磁場(chǎng)中的位置。利用這一原理可以測(cè)量微位移。當(dāng)霍爾元件有微小位移時(shí),就有霍爾電勢(shì)輸出,在一定范圍內(nèi),位移與UH呈線性關(guān)系。6.1.2其他磁敏傳感器磁敏電阻1磁敏二極管2運(yùn)動(dòng)的載流子受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn),載流子散射幾率增大,遷移率下降,于是電阻增加。這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應(yīng),簡(jiǎn)稱磁阻效應(yīng)。當(dāng)溫度恒定,在弱磁場(chǎng)范圍內(nèi),磁阻與磁
8、感應(yīng)強(qiáng)度(B)的平方成正比。對(duì)于只有電子參與導(dǎo)電的最