第6章-霍爾式傳感器

1、 如圖如圖1所示的一塊半導(dǎo)體薄片，其長度為所示的一塊半導(dǎo)體薄片，其長度為L，寬度，寬度為為b，厚度為，厚度為d，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，的磁場中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢乘積成正比的電勢 ，即即 ，其中，其中 為霍爾元件的靈敏度。這為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱為一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)，該電勢，該電勢 稱為霍爾電勢，半稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體

2、薄片就是霍爾元件。導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。HUHHUK IBHKHU 霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場中洛侖茲力霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場中洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。作用而產(chǎn)生的。 圖圖1 設(shè)霍爾元件為設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通以電流型半導(dǎo)體，當(dāng)它通以電流I時(shí)，半時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電荷即載流子導(dǎo)體中的自由電荷即載流子(電子）受到磁場中洛侖茲電子）受到磁場中洛侖茲力力 的作用，其大小為的作用，其大小為式中：式中： 為電子速度，為電子速度，B 為垂直于霍爾元件表面的磁為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。使電子向垂直于感應(yīng)強(qiáng)度。使電子向垂直于B和自由電子運(yùn)動(dòng)方向偏和自由電子運(yùn)動(dòng)方向偏移，其方向符合

3、移，其方向符合右手螺旋定律或左手定則右手螺旋定律或左手定則，即電子有，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場該靜電場對(duì)電子的作用力靜電場，即為霍爾電場該靜電場對(duì)電子的作用力 與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為：為：LFLFevB vEFHEHUFeEeb 靜電場作用于運(yùn)動(dòng)電子上的靜電場作用于運(yùn)動(dòng)電子上的 與洛侖茲力與洛侖茲力 相等相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即時(shí)

4、，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即EFLFHUevBebHUbvB 所以：所以：流過霍爾元件的電流流過霍爾元件的電流I為：為：()()dQbdvdtneIbdvnedtdt()Ivbdne所以：所以：代入代入 中得：中得：HUbvBHIBUdne n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度載流子濃度) 若霍爾元件為若霍爾元件為P型半導(dǎo)體、則：型半導(dǎo)體、則：HIBUPdeP為單位體積內(nèi)空穴數(shù)為單位體積內(nèi)空穴數(shù)(載流子濃度載流子濃度)。1HRne 在上式中令：在上式中令： 或或 1HRpe則式則式 和式和式 變?yōu)椋鹤優(yōu)椋篐IBUdne HIBUPdeHHIBURd 則則 被定義為被定義為霍

5、爾傳感器的霍爾系數(shù)霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。很明顯，。很明顯，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢的強(qiáng)霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。設(shè)：弱。設(shè)： 則有：則有： 霍爾元件的靈敏度霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度就是指在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B和單位和單位控制電流控制電流I作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢的大小。作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢的大小。HRHHRKdHHUK IB由于材料電阻率由于材料電阻率 與超流子濃度與超流子濃度 和其遷移率和其遷移率 有關(guān)，即有關(guān)，即 則：則：1n enHRHR則有則有 由此可見，要想霍爾電勢強(qiáng)，半導(dǎo)由此可見，要想霍爾電勢強(qiáng)，半導(dǎo)體材料的電阻率必須

6、要高，且遷移率也要大。雖然，體材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大。雖然，金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流于遷移率低。因此，只緣體電阻率很高，但其載流于遷移率低。因此，只有半導(dǎo)體材料為最佳霍爾傳感器的材料。表有半導(dǎo)體材料為最佳霍爾傳感器的材料。表91列列出了一些霍爾元件材料特性?；魻栯妱莩伺c材料出了一些霍爾元件材料特性?；魻栯妱莩伺c材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時(shí)還與霍爾元件的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時(shí)還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。的幾何尺寸有關(guān)。 一般要求霍爾元件靈敏度越大越好霍爾元件的一般要求霍爾元件

7、靈敏度越大越好霍爾元件的厚度厚度d與與 成反比因此，霍爾元件的厚度越小其靈成反比因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度b加大，或加大，或 減小時(shí)，減小時(shí)，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大、載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大、 下降。通常下降。通常要對(duì)式要對(duì)式 加以形狀效應(yīng)修正：加以形狀效應(yīng)修正：HK/L bHUHHIBURd( )HHIBLURfdb形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如表形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如表:圖圖2圖圖3圖圖4Sensor新型傳感器不斷用于汽車、新型傳感器不斷用于汽車、 機(jī)器人等行業(yè)機(jī)器人等行業(yè) 人們過去的常識(shí)是人們過去的常識(shí)是“汽車并不使用最尖端

8、技術(shù)汽車并不使用最尖端技術(shù)”。要對(duì)生命負(fù)責(zé)的汽車廠商，采用實(shí)用化技術(shù)的原則今要對(duì)生命負(fù)責(zé)的汽車廠商，采用實(shí)用化技術(shù)的原則今后恐怕也不會(huì)改變。但是為了安全而必須使用最尖端后恐怕也不會(huì)改變。但是為了安全而必須使用最尖端技術(shù)的話，那么強(qiáng)烈希望采用最尖端技術(shù)的趨勢必將技術(shù)的話，那么強(qiáng)烈希望采用最尖端技術(shù)的趨勢必將越來越強(qiáng)。豐田汽車已經(jīng)制定了在越來越強(qiáng)。豐田汽車已經(jīng)制定了在2020年把日本國內(nèi)年把日本國內(nèi)汽車事故減少一半的目標(biāo)，并將為此采取逐步把汽車事故減少一半的目標(biāo)，并將為此采取逐步把汽車汽車設(shè)計(jì)成設(shè)計(jì)成“電子繭電子繭”的方針。也就是說，利用數(shù)百個(gè)傳的方針。也就是說，利用數(shù)百個(gè)傳感器把車輛包圍起來，根

9、據(jù)來自這些傳感器的信息，感器把車輛包圍起來，根據(jù)來自這些傳感器的信息，利用激勵(lì)器對(duì)利用激勵(lì)器對(duì)剎車和方向盤剎車和方向盤進(jìn)行電控。進(jìn)行電控。這里所必需的包括：各種傳感器、可快速處理來自傳這里所必需的包括：各種傳感器、可快速處理來自傳感器的大量信息的處理器、驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器的高耐壓感器的大量信息的處理器、驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器的高耐壓（LSI），以及能夠?qū)ⅲ约澳軌驅(qū)SI的可靠性提高到與飛機(jī)相媲的可靠性提高到與飛機(jī)相媲美的技術(shù)。所有這些元件均為尖端技術(shù)的結(jié)晶。美的技術(shù)。所有這些元件均為尖端技術(shù)的結(jié)晶。 在機(jī)器人的發(fā)展過程中，車載元件技術(shù)起著關(guān)鍵在機(jī)器人的發(fā)展過程中，車載元件技術(shù)起著關(guān)鍵作用。因?yàn)闄C(jī)器人所需的關(guān)鍵

10、技術(shù)包含于車載元件中。作用。因?yàn)闄C(jī)器人所需的關(guān)鍵技術(shù)包含于車載元件中。對(duì)于兩者來說，傳感器、激勵(lì)器和信號(hào)處理等都至關(guān)對(duì)于兩者來說，傳感器、激勵(lì)器和信號(hào)處理等都至關(guān)重要。機(jī)器人也必須像汽車一樣如同電子繭似地配備重要。機(jī)器人也必須像汽車一樣如同電子繭似地配備傳感器，并快速判斷所接收到的信息。比如躲避運(yùn)動(dòng)傳感器，并快速判斷所接收到的信息。比如躲避運(yùn)動(dòng)的障礙物行走的動(dòng)作，必須識(shí)別障礙物、預(yù)測其動(dòng)作，的障礙物行走的動(dòng)作，必須識(shí)別障礙物、預(yù)測其動(dòng)作，并在不破壞平衡的條件下控制雙足等。并在不破壞平衡的條件下控制雙足等。 霍爾元件在環(huán)境溫度霍爾元件在環(huán)境溫度T25c時(shí)，允許通過霍爾元時(shí)，允許通過霍爾元件的電流

11、件的電流I和電壓和電壓E的乘積，分最小、典型、最大三檔，的乘積，分最小、典型、最大三檔，單位為單位為mw。當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額。當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流定功耗可以知道額定控制電流I，因此有些產(chǎn)品則提，因此有些產(chǎn)品則提供額定控制電流供額定控制電流I，不給出額定功耗，不給出額定功耗P0。 是指控制電流極之間的電阻值，是指控制電流極之間的電阻值， 指霍爾元指霍爾元件電極間的電阻，單位為歐姆件電極間的電阻，單位為歐姆。 和和可在無磁場可在無磁場即即B=0時(shí)，用歐姆表等測量。時(shí)，用歐姆表等測量。 在額定控制電流在額定控制電流I之下，不加磁場時(shí)，霍爾電極間

12、之下，不加磁場時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電勢稱為不平衡的空載霍爾電勢稱為不平衡(不等不等)電勢，單位為電勢，單位為mv。不平衡電勢和額定控制電流不平衡電勢和額定控制電流I之比為不平衡電阻之比為不平衡電阻ro。有。有些產(chǎn)品也提供不平衡電阻參數(shù)值。些產(chǎn)品也提供不平衡電阻參數(shù)值。4 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1時(shí)，時(shí)，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù).霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1時(shí)，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度時(shí)，輸入電阻

13、與輸出電阻變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，一般取不同溫度時(shí)的平均值。系數(shù)，一般取不同溫度時(shí)的平均值。 其定義同前述，有時(shí)某些產(chǎn)品給出無負(fù)載時(shí)靈敏度，其定義同前述，有時(shí)某些產(chǎn)品給出無負(fù)載時(shí)靈敏度，在某一控制電流和一定強(qiáng)度磁場中，輸出極開路時(shí)元件在某一控制電流和一定強(qiáng)度磁場中，輸出極開路時(shí)元件的靈敏度。的靈敏度。 表表93列出中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的砷化鎵列出中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的砷化鎵(GaAs)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)?；魻栐闹饕夹g(shù)參數(shù)。HK砷化鎵霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)砷化鎵霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)BEWR LHU 霍爾元件的基本測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖如圖4所示所示,控制

14、電流控制電流I由電源由電源E供給、電位器供給、電位器W調(diào)節(jié)控制電調(diào)節(jié)控制電流流I的大小?；魻栐敵鼋拥拇笮??；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻負(fù)載電阻RL RL可以是放可以是放大器的輸入電阻或測量儀表大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，在磁場與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢，所以在才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢，所以在測量中可以把測量中可以把I和和B的乘積、的乘積、或者或者I，或者，或者B作為輸人信號(hào)，作為輸人信號(hào)，則霍爾元件的輸出電勢分別則霍爾元件的輸出電勢分別正比于正比于I或或B。圖圖4基本測量電路基本測量電路 除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲

15、得除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式、較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式、如圖如圖5(a)所示。所示。 圖圖5（a）為直流供電情況。控制電流端并聯(lián)，由為直流供電情況?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，由w1、w2調(diào)節(jié)兩個(gè)元件的輸出霍爾電勢，調(diào)節(jié)兩個(gè)元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，為輸出端，則它的輸出電勢為單塊的兩倍。則它的輸出電勢為單塊的兩倍。 圖圖 5(b)為交流供電情況。控制電流端串聯(lián)，各元件為交流供電情況?？刂齐娏鞫舜?lián)，各元件輸出端接輸出變壓器輸出端接輸出變壓器B的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)便的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢信號(hào)疊加值

16、輸出。有霍爾電勢信號(hào)疊加值輸出。圖圖5霍爾元件輸出疊加連接方式霍爾元件輸出疊加連接方式 霍爾器件是一種四端器件本身不帶放大器?；艋魻柶骷且环N四端器件本身不帶放大器?；魻栯妱菀话阍诤练考?jí)，在實(shí)際使用中必須加差分爾電勢一般在毫伏量級(jí)，在實(shí)際使用中必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式。種使用方式。 因此，輸出電路如圖因此，輸出電路如圖6所示兩種結(jié)構(gòu)。下面以我國所示兩種結(jié)構(gòu)。下面以我國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的GaAs霍爾元件為例，給霍爾元件為例，給出兩種參考電路，分別如圖出兩種參考電路，分別如圖6(a)

17、和和(b)所示。所示。圖圖6 霍爾元件的輸出電路霍爾元件的輸出電路 當(dāng)霍爾元件作線性測量時(shí)最好選用靈敏度低一點(diǎn)、當(dāng)霍爾元件作線性測量時(shí)最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。 例如，選用例如，選用 ，控制電流為，控制電流為5mA的霍的霍爾元件作線性測量元件，若要測量爾元件作線性測量元件，若要測量1Gs一一10kGs的磁場，的磁場，則霍爾器件最低輸出電勢則霍爾器件最低輸出電勢 為：為：故要選擇低噪音的放大器作為前級(jí)放大。故要選擇低噪音的放大器作為前級(jí)放大。5/.HKmV mAkGsminHU3min5/.51025HHUK I

18、BmV mAkGsmAkGsV 高精度高速運(yùn)放高精度高速運(yùn)放OP-17,OP-17, 超低噪聲超低噪聲、高精度、高精度OP-27(OP-37OP-27(OP-37) )運(yùn)放專題：運(yùn)放專題：OP-17OP-17 速度與速度與 CF357 CF357 相當(dāng)相當(dāng), , U UIOSIOS I IIOSIOS 和和UUIOSIOS 大約大約 只有只有CF357CF357的十分之一的十分之一; ;封裝、引線排列和應(yīng)用線路與封裝、引線排列和應(yīng)用線路與CF357CF357的完全相同的完全相同; ;工作溫度范圍為工作溫度范圍為10 10 7070。 OP-27OP-27 U UIOS IOS ,U,UIOSI

19、OS 與與OP-07OP-07相近相近; ;I IIOSIOS 和和 I IIOSIOS 比比 OP-07OP-07的大的大; ;OP-27OP-27 噪聲電壓特別小噪聲電壓特別小, ,小于小于OP-07OP-07的十分之一的十分之一; ;當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時(shí)，要選擇靈敏度高的霍爾當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時(shí)，要選擇靈敏度高的霍爾器件。器件。例如例如 ，如果采用，如果采用2x 3x 5(mm)的衫磁鋼的器件，控制電流為的衫磁鋼的器件，控制電流為2mA，施加一個(gè)距離施加一個(gè)距離器件為器件為5mm的的300G s的磁場，則輸出霍爾電勢為的磁場，則輸出霍爾電勢為 這時(shí)選用一般的放大器即可滿足。這時(shí)選用一

20、般的放大器即可滿足。n輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓U UIOSIOS 和輸入失調(diào)電流和輸入失調(diào)電流I IIOSIOS 很??；很??；n輸入失調(diào)電壓溫漂輸入失調(diào)電壓溫漂UUIOSIOS 和輸入失調(diào)電流溫漂和輸入失調(diào)電流溫漂IIIOSIOS 很??；很?。?精度比較高；價(jià)格不高精度比較高；價(jià)格不高, ,很受歡迎。很受歡迎。20/.HKmV mAkGs3max20/.2300 1012HHUK IBmV mAkGsmAkGsmV : 一類是半導(dǎo)體固有特性；一類為半導(dǎo)體制造工藝一類是半導(dǎo)體固有特性；一類為半導(dǎo)體制造工藝的缺陷的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。0U123

21、4RRRR00U 00U Sensor據(jù)悉，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出一種具有自我據(jù)悉，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出一種具有自我清潔功能的新型傳感器清潔功能的新型傳感器二氧化鈦納米管氫二氧化鈦納米管氫傳感器。傳感器。 研究表明，盡管二氧化鈦納米管氫傳感器屬氣敏研究表明，盡管二氧化鈦納米管氫傳感器屬氣敏傳感器，但卻有著光敏性較其他形式的二氧化鈦材料傳感器，但卻有著光敏性較其他形式的二氧化鈦材料高高100100倍的特性。只要將其暴露在紫外線下，吸附在倍的特性。只要將其暴露在紫外線下，吸附在二氧化鈦納米管氫傳感器上的污染物質(zhì)就能輕而易舉二氧化鈦納米管氫傳感器上的污染物質(zhì)就能輕而易舉地被有效清除掉。因此，在實(shí)際使用中，這種傳感器地被有效清除掉。因此，在實(shí)際使用中，這種傳感器能夠靠自己的能耐使自己清潔如故、性能如初，并保能夠靠自己的能耐使自己清潔如故、性能如初，并保持原有的探測靈敏度。持原有的探測靈敏度。 氫傳感器廣泛應(yīng)用于化工、石油和半導(dǎo)體工業(yè)，氫傳感器廣泛應(yīng)用于化工、石油和半導(dǎo)體工業(yè)，也常被用作診斷工具，用來監(jiān)測某些種類的細(xì)菌感染。也常被用作診斷工具，用來監(jiān)測某些種類的細(xì)菌感染。在日常生活中，氫傳感器同