半導體敏磁傳感器 (2)課件

第七章半導體磁敏傳感器簡介磁敏式傳感器都是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成。按其結構可分為體型和結型兩大類。體型的有霍爾傳感器，其主要材料InSb(銻化銦)、InAs（砷化銦）、Ge（鍺）、Si、GaAs等和磁敏電阻InSb、InAs。結型的有磁敏二極管(Ge、Si)，磁敏三極管(Si)應用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。7.1霍爾傳感器7.1.1霍爾效應霍爾效應是磁電效應的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學家霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發(fā)現(xiàn)的。當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應。這個電勢差也被叫做霍爾電勢差。圖7-1霍爾效應UHbldIFLFEvB7.1.1霍爾效應是半導體中的自由電荷在磁場中受到洛倫茲力作用而產(chǎn)生的。所以，霍爾電壓UH可表示為

UH=EHb=vBb

(7-3)設霍爾元件為N型半導體，當它通電流I時

FL=qvB

(7-1)當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有

qEH=qvB故霍爾電場的強度為

EH=vB

（7-2）流過霍爾元件的電流為

I=dQ/dt=bdvnq得：

v=I/nqbd

(7-4)

所以：

UH=BI/nqd

若取

RH=1/nq

則

RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。它反映材料霍爾效應的強弱。

霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運動速度，它隨載流體材料的不同而不同。料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷移率來表征，即在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。即所以而比較得或結論：①如果是P型半導體，其載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得②霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。④霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。材料的ρ、μ大，RH就大。金屬的μ雖然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半導體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料。霍爾片是一塊半導體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，其焊接處稱為霍爾電極。2測量電路W1W2UHUH~（a）基本測量電路WUHRLE（b）直流供電輸出方式（c）交流供電輸出方式7.1.3霍爾元件的技術參數(shù)1.額定功耗P0在環(huán)境溫度25℃時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。2.輸入電阻Ri和輸出電阻RORi是指控制電極之間的電阻值。R0指霍爾元件輸出電極間的電阻。Ri、R0可以在無磁場時用歐姆表等測量。5.內(nèi)阻溫度系數(shù)β霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。即：6.靈敏度或：減小d;選好的半導體材料不等位電壓是由于元件輸出極焊接不對稱、厚薄不均勻以及兩個輸出極接觸不良等原因造成的，可以通過橋路平衡的原理加以補償。如圖所示，因此當控制電流I流過元件時，即使磁場強度B等于零，在霍爾電極上仍有電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢。7.1.4霍爾元件的測量誤差和補償1.零位誤差及補償方法圖7-4不等位電勢圖7-5霍爾元件的等效電路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4在分析不等位電勢時，我們把霍爾元件等效為一個電橋，2.溫度誤差及補償由于半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等會隨溫度的變化而發(fā)生變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度的關系曲線見圖，圖中，內(nèi)阻和霍爾電壓都用相對比率表示。我們把溫度每變化1℃時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用β表示。把溫度每變化1℃時，霍爾電壓的相對變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用α表示。

(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進行補償（a）基本電路（b）等效電路

UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR補償電阻恒流源霍爾元件溫度補償?shù)姆椒ê芏鄬ι鲜角鬁囟鹊膶?shù)，可得增量表達式：即：要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使

當元件的α、β及內(nèi)阻Ri0確定后，溫度補償電阻R便可求出。（2）利用輸出回路的負載進行補償

（a）基本電路（b）等效電路

UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流Ｉ穩(wěn)定不變。即，可以不考慮輸入回路的溫度影響

在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋捍藭r，RL上的電壓為:負載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為UHIIRL當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻變化對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只考慮在輸入端進行補償即可。若采用恒流源，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。（3）利用恒流源進行補償對于溫度系數(shù)大的半導體材料常使用?；魻栞敵鲭S溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進行補償。例如在輸入回路串入熱敏電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進行補償（a）輸入回路補償RRt（b）輸出回路補償

或在輸出回路進行補償。負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。RRLRt（5）利用補償電橋進行補償調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，電橋的輸出電壓相應變化，仔細調(diào)節(jié)，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt7.2集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的霍爾傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點。7.2.1開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。

霍爾開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級五部分組成。

7.2.2線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出電壓與外加磁場成線性比例關系。

一般由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，

霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制。例霍爾位移傳感器將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從

a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。 式中：k是位移傳感器的輸出靈敏度。 將積分后得：UH=kx 說明，霍爾電勢與位移量成線性關系。霍爾電勢的極性反映了元件位移的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越好。若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度dB／dx為一常數(shù)，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢的變化為： 式中：k是位移傳感器的輸出靈敏度。