常用半導(dǎo)體傳感器

會(huì)計(jì)學(xué)1常用半導(dǎo)體傳感器d為霍爾元件的厚度洛倫茲力：FL=-ev

B電荷聚集，UH產(chǎn)生靜電場(chǎng)產(chǎn)生反力：FE=-eEU

=-eUH

/b平衡時(shí)：FL=FE

，-ev

B=-eUH

/bUH=bvBI為控制電流：I=dQ/dt=bdvn(-e)bv=I/[dn(-e)]則：UH=IB/[dn(-e)]取RH=1/[n(-e)]

霍爾常數(shù),由半導(dǎo)體材料決定則：UH=RHIB/d取KH=RH/d則：UH=KHIB

霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果：UH=KHIBb為霍爾元件的寬度n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)第1頁/共18頁

UH=KHIB

霍爾電勢(shì)的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積。KH稱為霍爾元件的靈敏度，它是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)輸出霍爾電壓大小的重要參數(shù)當(dāng)控制電流方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出電動(dòng)勢(shì)方向也將改變第2頁/共18頁二、靈敏度1）材料電阻ρ與載流子濃度n和其遷移率μ相關(guān)，RH=(μ,ρ)(RH=1/[n(-e)])2）KH=RH/d，則d要小，霍爾片要?。?μm）3）霍爾片長(zhǎng)邊/短邊>4，輸出不受影響（一般長(zhǎng)邊/短邊=2,短邊通以電流，長(zhǎng)邊輸出UH）建立霍爾效應(yīng)的時(shí)間很短：10-2～10-14ｓ控制電流用交流時(shí)，頻率可以很高（幾千兆赫）第3頁/共18頁

接觸要求：歐姆接觸（無PN結(jié)）老式：焊接新方法：離子注入工藝濺射工藝霍爾元件外形及結(jié)構(gòu)：尺寸：4mm×2mm×0.1mm1324第4頁/共18頁由于建立霍爾效應(yīng)的時(shí)間很短，因此控制電流用交流時(shí)，頻率可以很高（幾千兆赫）

在磁場(chǎng)作用下，負(fù)載上有電壓輸出。實(shí)際使用時(shí),以I或B,或同時(shí)作為輸入信號(hào)，而輸出信號(hào)則正比于I或B,或兩者的乘積。

三、基本電路控制電流由E供給

RP為調(diào)節(jié)電阻

Rf為負(fù)載電阻第5頁/共18頁

四、電磁特性

1）ＵH—I特性：UH=KHIB

在磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾輸出電動(dòng)勢(shì)UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系，直線的斜率稱為控制電流靈敏度用KI表示。KI=KHB→UH=KII（線性）

KH↑→

KI↑

KI↑、

I

↑→UH↑第6頁/共18頁五、材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般采用以下半導(dǎo)體單晶材料制成：N型鍺、砷化銦、銻化銦輸出大受溫度影響大輸出小溫度和線形度較好線形度好受溫度影響比銻化銦小輸出沒有銻化銦大敏感元件一般測(cè)量第7頁/共18頁六、誤差分析及誤差補(bǔ)償方法１）元件的幾何尺寸、電極的接點(diǎn)大小對(duì)性能的影響UH=

fH()RHIBdLlfH(L/l)為元件的形狀系數(shù)當(dāng)L/l>2

時(shí),形狀系數(shù)fH(L/l)接近于1實(shí)際上,取L/l=2b)霍爾電極的大小對(duì)霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出有影響當(dāng)S/L<0.1時(shí),電極寬度的影響才可以忽略不記.a)第8頁/共18頁UH=

fH()RHIBdLlS/L<0.1第9頁/共18頁

2）不等位電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償主要零位誤差，制作時(shí)不能保證將霍爾電動(dòng)勢(shì)極焊在同一等位面上.第10頁/共18頁3）寄生直流電動(dòng)勢(shì)a）非歐姆接觸造成控制電流極和霍爾電動(dòng)勢(shì)極上的整流效應(yīng)b）電動(dòng)勢(shì)極的的焊點(diǎn)不一致,兩焊點(diǎn)的熱容量不一致產(chǎn)生溫差寄生直流電動(dòng)勢(shì)第11頁/共18頁自身補(bǔ)償法4）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在交變磁場(chǎng)中工作時(shí),在輸出回路中產(chǎn)生附加感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),其大小正比于磁場(chǎng)變化的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值,并與霍爾電動(dòng)勢(shì)極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比a在磁路氣隙中安置一輔助霍爾元件(特性相同)b合理布線，自身補(bǔ)償法第12頁/共18頁5）溫度誤差補(bǔ)償由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度隨溫度變化，故霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電動(dòng)勢(shì)也將隨溫度變化a選用溫差系數(shù)小的元件（砷化銦）b恒流供電：減少元件內(nèi)阻隨溫度變化引起的控制電流變化。c其它溫度補(bǔ)償法第13頁/共18頁七、霍爾傳感器的特點(diǎn)：霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。雖然其轉(zhuǎn)換效率低，溫度影響大，但簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、可靠性高、易于集成化，它特別適合于大電流、微小氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高梯度磁場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量。此外，也可用于位移、加速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量以及自動(dòng)控制。八、應(yīng)用1、功能可分為：霍爾線性器件（輸出模擬量）霍爾開關(guān)器件（輸出數(shù)字量）第14頁/共18頁

2）按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可分為：直接應(yīng)用：直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性（高斯計(jì)）間接應(yīng)用：檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量例如力、位移、速度以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制

為了精確地測(cè)量磁場(chǎng),常用恒流源供電,使被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可用霍爾電壓來量度電流傳感器電功率計(jì)電機(jī)控制（直流無刷電機(jī)）第15頁/共18頁1．電流的測(cè)量圖給出了霍爾元件用于測(cè)量電流時(shí)的工作原理圖。標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，用于安置霍爾元件，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)檢測(cè)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器就有信號(hào)輸出。若采用傳感器為UGN-3501M，當(dāng)線圈為9匝，電流為20A時(shí)，其電壓輸出約為7.4V。利用這種原理，也可制成電流過載檢測(cè)器或過載保護(hù)裝置。圖電流測(cè)量原理第16頁/共18頁2．位移的測(cè)量霍爾元件也常用于微位移測(cè)量。將磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置；將線性霍爾元件置于兩塊磁鐵的中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)位置可以取為位移零點(diǎn)，故在Z