第6章 固态传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2023）

第6章 固态传感器 固态传感器利用某些固体材料的机械、电、磁等的物性型变化来实现信息的直接测量。制造固态传感器的固体材料以半导体材料用得最多。 本章主要对利用半导体技术制造的磁敏、湿敏等几类固态传感器的原理及相关特性进行介绍。 第6章 固态传感器 第6章 固态传感器 6.1 磁敏传感器 6.2 湿敏传感器 6.3 其他固态传感器 6.1.1 霍尔式传感器 6.1.2 其他磁敏传感器 6.1 磁敏传感器 6.1 磁敏传感器 磁敏传感器是把磁物理量转换成电信号的传感器，大多是基于载流子在磁场中受洛伦兹力的作用而发生偏转的机理实现对相关物理量的信号检测。 它的应用可以分为直接应用和间接应用两类，前者包括测量磁场强度的各种磁场计，如地磁的测量、磁带和磁盘信号的读出、漏磁探伤、磁控设备等；后者是指利用磁场作为媒介来探测非磁信号，如无接触开关、无触点电位器等等。 6.1.1 霍尔式传感器 霍尔效应与霍尔元件 1 霍尔元件基本特性 2 霍尔式传感器的应用 3 霍尔效应和霍尔元件 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势Un。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。 霍尔效应和霍尔元件 令 则 (6-1) (6-2) (6-3) RH为霍尔传感器的霍尔常数，其大小由载流材料的物理性质决定。霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关，一般要求霍尔元件灵敏度越大越好。 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cosθ，因此： (6-4) 霍尔效应和霍尔元件 控制电流级 霍尔电极 a、b两根引线称为控制电流端引线，其焊接处称为控制电流极（或称激励电极）。 c、d两根霍尔输出引线，其焊接处称为霍尔电极（要求欧姆接触）。 霍尔效应和霍尔元件 霍尔元件基本特性 输入电阻和输出电阻 输入电阻指控制电流极间的电阻值。 输出电阻指霍尔电极间的电阻值。 额定激励电流和最大允许激励电流 使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激励电流。以霍尔片允许最大温升为限制所对应的电流称为最大允许激励电流。 不等位电势 当霍尔元件通以额定激励电流IH而不加外磁场时它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势。 霍尔元件基本特性 不等位电势的补偿 产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上。此外，材质不均匀、几何尺寸不均匀等原因对不等位电势也有一定的影响。可以把霍尔元件等效为图6-5所示的电桥电路。根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻 。 霍尔元件基本特性 常见的几种补偿电路如图6-6所示，其中图6-6（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，调整比较方便。 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感。霍尔元件灵敏度系数与温度的关系可写成： KH0表示温度T0时的KH值；△T=T-T0表示温度变化值；α为霍尔元件灵敏度的温度系数 为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，还可以采用其他措施。 (6-6) 霍尔元件基本特性 保持KH·I乘积不变，抵消灵敏度系数KH因温度增加的影响。基于这一思想，可以采用图6-7所示的补偿电路。 设在某一基准温度T0时，恒流源输出电流为I，霍尔元件 的控制电流为IH0，霍尔元件的内阻为R0，补偿电阻r0上流过的电流为I0，根据上图可得 恒流源供电 1 (6-7) (6-8) 霍尔元件基本特性 当温度上升△T达到温度T时， 霍尔元件的内阻为R=R0(1+β△T)， 补偿电阻的阻值为r=r0(1+δ△T)， 、分别为霍尔元件内阻、补偿电阻的温度系数 (6-9) (6-10) 对上式进行整理，并忽略(ΔT)2 项可得 (6-11) 霍尔元件基本特性 由于霍尔元件灵敏度温度系数、补偿电阻温度系数比霍尔元件内阻温度系数小得多，即：，，于是式（6-11）可以简化为： (6-12) 由式（6-12）可见，当霍尔元件选定后，通过查元件的参数表 可得到、、R0，从而可以确定补偿电阻r的阻值。 霍尔元件基本特性 采用热敏电阻 2 霍尔元件基本特性 霍尔式传感器的应用 电流、磁场、位移、角度、转速、压力、功率 …… 结构简单 形小体轻 使用方便 霍尔式微位移传感器 霍尔式传感器的应用 如果保持霍尔元