传感器课设霍尔位移传感器的设计

1太原理工大学课程设计说明书题目：霍尔位移传感器的设计学院（系）：现代科技学院年级专业：测控1001学号：学生姓名：指导教师：武娟萍太原理工大学课程设计说明书共页第页-2-摘要：霍尔传感器是基于霍效应而将被测量转化成电动势输出的一种传感器。霍尔元件已发展成一个品种多样的磁传感器产品簇，并且得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器，用它可以检测磁场及其变化，可以在各种与磁有关的场合中使用。霍尔期间以霍尔效应为其工作原理。本文主要研究霍尔位移传感器的设计。如图所示，被测物体分别与恒定电流I和恒定磁场B垂直。当被测物体相对于原来位置有微小位移变化时，会产生变化的磁通量，会在导体垂直于磁场和电流的两个端面之间产生电势差，即UH（霍尔电压）。本文主要研究微小位移与霍尔电压的关系来设计霍尔位移传感器。关键字：霍尔传感器位移霍尔电压太原理工大学课程设计说明书共页第页-3-目录1霍尔传感器的发展历程··············42霍尔传感器的工作原理2.1霍尔效应·······················62.2霍尔元件·······················62.3霍尔元件的主要特性及材料···············73霍尔元件的误差及补偿3.1霍尔元件的零位误差与补················33.2微位移和压力的测量·················73.3霍尔位移传感器的设偿················73.4霍尔元件的温度误差及补偿···············84测量电路原理与设计4.1模型的建立······················104.2放大电路设计····················114.3实验数据处理·····················125LabVIEW显示模块设计············136设计总结·····················157参考文献·····················16太原理工大学课程设计说明书共页第页-4-1霍尔传感器的发展历程霍尔传感器是磁电效应的一种，这种现象是霍尔于1879年在研究金属的导体机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强的多，利用这种现象制成的各种霍尔元件。广泛的应用于工业自动化技术，检测技术及信息处理方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。尽管人们早在1879年就知道了霍尔效应，但直到20世纪60年代末，随着固态电子技术的发展，霍尔效应才开始为人们所应用。自此，霍尔传感器得到飞速发展，在汽车，工业，计算机等行业中得到广泛应用，如齿轮速度检测、运动与接近检测及电流检测等。霍尔传感器的出现。解决了很多让人棘手的问题。100多年来，霍尔效应的应用经历了三个阶段：第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不，到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等，应用十分广泛。第三阶段是自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。此外，20世纪70年代末，美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。最近，韩国科学家报告了等离子霍尔传感器L1J。最近，F．LeBihan等人研制了一种可测量大位移量的多晶硅薄膜场效应(rIFI’)霍尔传感器，其结构见图19a和图19b，它包括2个对称放置的rIFI’霍尔探头和2个源极、漏极。该传感器系采用LI~VD工艺，形成非掺杂和轻掺杂两种多晶硅薄膜作为激励区；采用重掺杂多晶硅工艺，形成源极和漏极；采用VD工艺形成隔离门。为了减少电极间的相互干扰。它的激励区较大为200tzm×200tzm。霍尔电极放在宽15tzm的沟道中间。该传感器的主要特点是，它的灵敏度和功耗与薄膜场效应管的门和漏极电压相关，灵敏度为200mV／T，功耗小于2mW。将霍尔发生器形成在大面积玻璃芯片上，可用于大量程位置传感器。太原理工大学课程设计说明书共页第页-5-图1-1TFT位移传感器太原理工大学课程设计说明书共页第页-6-2霍尔传感器的工作原理2.1霍尔效应如霍尔效应原理图所示，在半导体薄片两端通以恒定电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为UH=KHIBCOSA，式中KH称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。上述效应称为霍尔效应，它是德国物理学家霍尔于1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。I为所加的电流（一般为恒流源），B为均匀磁场，A为磁场与法线的夹角。EH为电场（图2-1所示）图2-1霍尔效应原理图2.2霍尔元件霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如图2-2所示。太原理工大学课程设计说明书共页第页-7-图2-2霍尔元件结构2.3霍尔元件的主要特性及材料1）霍尔元件的主要特性参数灵敏度KH：表示元件在单位的磁感应强度和单位控制电流所得到的开路霍尔电动势霍尔输入电阻：霍尔控制及间的电阻值霍尔最大允许激励电流：以霍尔元件允许的最大温度为限所对应的激励电流不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。（不等位电势是由霍尔电极2和之间的电阻决定的，r0称不等位电阻）寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）：当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势霍尔电势温度系数：在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率。图2-3基本应用电路2)霍尔元件的材料目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In（AsyP1-y）型固熔体（其中太原理工大学课程设计说明书共页第页-8-y表示百分比）等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。In（AsyP1-y）型固熔体的热稳定性最好。太原理工大学课程设计说明书共页第页-9-3霍尔元件的误差及补偿3.1霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差是指无外加磁场或无控制电流情况下霍尔元件产生输出电压并由此产生误差。它主要表现有以下几种形式：1）不等位电动势它是零位误差中最重要的一种，他是当霍尔元件在额定控制电流下，不外加磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。2）寄生直流电势再无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量3）感应零电动势感应零电动势是在未通电流情况下，由于脉动或交变磁场作用在输出端产生的电动势。4)自激场零电动势霍尔元件控制电流产生自激场3.2霍尔元件的温度误差及补偿1）温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。2)减小霍尔元件的温度误差的方法选用温度系数小的元件、采用恒温措施、采用恒流源供电、采用适当的补偿电路图3-1恒流源温度补偿电路注：当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流。太原理工大学课程设计说明书共页第页-10-4测量电路原理与设计4.1模型的建立霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下：IBKVHH（4-1）式中:VH为霍尔电压；KH为霍尔元件灵敏度；I为控制电流；B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向运动时，在一定的测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的。所以输出电压与位移也存在线性关系。图4-1为实际霍尔传感器测量位移的特性。可见在-0.6mm～0.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为：XVH7155.151（4-2）式中:VH为霍尔元件输出电压，单位为mV；-2-1.5-1-0.500.511.52-1000-500050010001500X(mm)VH(mV)太原理工大学课程设计说明书共页第页-11-X为被测位移量，单位为mm。由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图2所示，它的测量范围是-0.6mm～0.6mm。V1可模拟位移，压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。4-2霍尔传感器模型图中1、2为激励电极；3、4为霍尔电极4.2放大电路设计霍尔传感器的电动势一般为毫伏量级，因此，实际使用时必须加放大电路，此处假的是差分放大电路，如图4-3所示。图4-3差分放大电路太原理工大学课程设计说明书共页第页-12-4.3实验数据处理电路调好后进行仿真，可得如表所示的实验结果。位移X(mm)-0.6-0.4-0.200.20.40.6电压Uo（mV）464.408309.659154.9110.162598-154.586-309.334-464.083用MATLAB进行对上表的实验结果拟合后得：1625.07421.7730XU太原理工大学课程设计说明书共页第页-13-5LabVIEW显示模块设计5.1位移测量子程序的设计由上节公式可得位移表达式：7421.7731625.00UX（5-1）根据上式，可建立一个子VI，其程序框图如图：图5-1程序框图太原理工大学课程设计说明书共页第页-14-图5-2接口部分设计（a）-0.2mm结果（b）0.4mm结果图5-3前面板设计太原理工大学课程设计说明书共页第页-15-6设计总结本次课程设计是关于霍尔传感器位移测量电路的设计，在做此设计前必须先掌握一些基本的模电知识和对Multisim、Labview仿真软件的运用，方可理解并熟练完成。由于此次设计是个人独立完成，且没有学习过Labview的运用，因而对Labview的G语言编程不会用，期间遇到了不少问题，但是通过上网百度与图书管借阅的一些书籍，问题慢慢一个个都解决了。通过本次设计，使我更为熟练的掌握了Multisim元件库的调用，同时也掌握了Labview的部分知识，已及对两者接口部分设计的掌握，相信自己再次面对类似的设计时，可以熟练的完成。太原理工大学课程设计说明书共页第页-16-7参考文献张玉龙等•传感器电路设计手册•中国计量出版社•1989年李科杰等•新编传感器技术手册•国防工业出版社•2002年吴桂秀•传感器应用制作入门•浙江科学技