第一節(jié) 霍爾傳感器

1、第八章第八章 常用半導體傳感器常用半導體傳感器 用半導體敏感元件構(gòu)成半導體傳感器，近幾年發(fā)展較快，用半導體敏感元件構(gòu)成半導體傳感器，近幾年發(fā)展較快，在國防和國民經(jīng)濟各個部門以及人們的日常生活中得到越來在國防和國民經(jīng)濟各個部門以及人們的日常生活中得到越來越廣泛的應用。越廣泛的應用。 半導休敏感元件種類繁多。能夠把力、熱、光、磁、氣、半導休敏感元件種類繁多。能夠把力、熱、光、磁、氣、濕度、射線、離子等一些物理量、化學量和生物量轉(zhuǎn)換成電濕度、射線、離子等一些物理量、化學量和生物量轉(zhuǎn)換成電量信息，此外，還只有體積小，重量輕，量信息，此外，還只有體積小，重量輕， 精度高，成本便精度高，成本便于集成化、多

2、功能化，易于微機接口等優(yōu)點，因此，被廣泛于集成化、多功能化，易于微機接口等優(yōu)點，因此，被廣泛 用于過程自動監(jiān)視、災害自動報警、自動測量、自動計量、用于過程自動監(jiān)視、災害自動報警、自動測量、自動計量、自動控制等各個領域自動控制等各個領域 中。中。 半導體傳感器也不是完美無缺的，它的普遍缺點是特性的半導體傳感器也不是完美無缺的，它的普遍缺點是特性的分散性、溫度不穩(wěn)定性和易受干擾性，因此，在某些情況下分散性、溫度不穩(wěn)定性和易受干擾性，因此，在某些情況下義限制了半導體傳感器的應用。義限制了半導體傳感器的應用。第一節(jié)第一節(jié) 霍爾傳感器霍爾傳感器 一、工作原理、材料及結(jié)構(gòu)特點一、工作原理、材料及結(jié)構(gòu)特點

3、(一一)霍爾效應霍爾效應 通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)通電的導體或半導體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。生電動勢的現(xiàn)象。BvqF正電荷q0負電荷q0負電荷q0可以看出：輸入電流可以看出：輸入電流I和次感應強度和次感應強度B一定時，一定時，N型半導型半導體和體和P型半導體得霍爾電勢極性相反型半導體得霍爾電勢極性相反 設霍耳片的長度為設霍耳片的長度為L，寬度為，寬度為l，厚度為，厚度為d。又設電子以均勻的。又設電子以均勻的速度速度v運動，則在垂直方向施加的磁感應強度運動，則在垂直方向施加的磁感應強度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛侖茲力洛侖茲力qvBfLq

4、電子電量電子電量(1.6210- -19C)； v電于運動速度。電于運動速度。同時，作用于電子的同時，作用于電子的電場力電場力lqUqEfHHE/當達到動態(tài)平衡時當達到動態(tài)平衡時lqUqvBH/dnqvldjlI)/(dnqlIv)/( pqdIBUH電流密度j=nqvnN型半導體中的電子濃度N型半導體P型半導體pP型半導體中的孔穴濃度)/(nqdIBUHN型半導體用同樣的方法可得用同樣的方法可得p型半導體型半導體霍耳電勢霍耳電勢UH與與 I、B的乘積成正比，而與的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成反比。于是可改寫成：成： dIBRVHH型）（型）（PqpRNqnRpHnH11dIBRVH

5、HHR 霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率型）（型）（PqpRNqnRpHnH11載流子遷移率,=v/E,即單位電場強度作用下載流子的平均速度。金屬材料，電子金屬材料，電子很高但很高但很小，絕緣材料，很小，絕緣材料，很高但很高但很小。它們的霍爾系數(shù)很小，不宜于制作霍爾器件。很小。它們的霍爾系數(shù)很小，不宜于制作霍爾器件。為獲得較強霍耳效應，霍耳片全部采用半導體材料制成。為獲得較強霍耳效應，霍耳片全部采用半導體材料制成。因為電子的遷移率總是大于空穴的遷移率，故霍爾片都因為電子的遷移率總是大于空穴的遷移率，故霍爾片都采用采用N N型半導體。型半導體。設 KH=RH / d KH霍耳器件的霍

6、耳器件的乘積靈敏度乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時霍耳何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。電勢的大小。 若磁感應強度若磁感應強度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為的方向與霍耳器件的平面法線夾角為時，時，霍耳電霍耳電勢勢應為：應為： VH KH I B VH KH I B cos 注意：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出注意：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍耳電霍耳電勢的勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍耳電霍耳電勢并不

7、勢并不改變方向。改變方向。(二二)材料及結(jié)構(gòu)特點材料及結(jié)構(gòu)特點 霍爾元件一般采用霍爾元件一般采用N型鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶型鍺、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成。銻化銦元件輸出較大，但受溫度影響也較大。鍺材料制成。銻化銦元件輸出較大，但受溫度影響也較大。鍺元件輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。砷化銦元件輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。砷化銦元件輸出沒有銻化銦元件大，但受溫度影響卻比銻化銦小，元件輸出沒有銻化銦元件大，但受溫度影響卻比銻化銦小，且且 線性度也較好，因此，采用砷化銦為霍爾元件的材料受線性度也較好，因此，采用砷化銦為霍爾元件的材料受到普遍重視。到普遍重視。

8、 霍爾元件的結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐腔魻栐慕Y(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐且粔K矩形半導體薄片，在短邊的兩端面上焊上兩根控制電流一塊矩形半導體薄片，在短邊的兩端面上焊上兩根控制電流端引線，在元件長邊中間以點的形式焊上兩根霍爾輸出端引端引線，在元件長邊中間以點的形式焊上兩根霍爾輸出端引線，在焊接處要求接觸電阻小，呈純電阻性質(zhì)線，在焊接處要求接觸電阻小，呈純電阻性質(zhì)(歐姆接觸歐姆接觸)。 霍爾片一般用非磁性金屬陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝?；魻柶话阌梅谴判越饘偬沾苫颦h(huán)氧樹脂封裝。霍耳器件片(a)實際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸

9、：5.42.70.2dsL（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）l電流極霍耳電極R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳輸出端的端子霍耳輸出端的端子C、D相應地相應地稱為稱為霍耳端霍耳端或輸出端。或輸出端。若霍耳端子間連接負載若霍耳端子間連接負載,稱為霍稱為霍耳耳負載電阻負載電阻或霍耳負載?；蚧舳撦d。電流電極間的電阻，稱為電流電極間的電阻，稱為輸入電輸入電阻阻，或者控制內(nèi)阻。，或者控制內(nèi)阻。霍耳端子間的電阻，稱為霍耳端子間的電阻，稱為輸出電輸出電阻阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻?；蚧舳鷤?cè)內(nèi)部電阻。 器件電流器件電流(控制電流控制電流或輸入電流或輸入電流): 流入到器件內(nèi)的電流流入到器件內(nèi)

10、的電流。電流端子A、B相應地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號AAABBBCCCDDD關(guān)于霍耳器件符號，名稱關(guān)于霍耳器件符號，名稱及型號，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一及型號，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一規(guī)定，為敘述方便起見，規(guī)定，為敘述方便起見，暫規(guī)定下列名稱的符號暫規(guī)定下列名稱的符號。 圖中控制電流圖中控制電流I由電源由電源E供給供給, ,R為調(diào)節(jié)電阻為調(diào)節(jié)電阻, ,保證器件內(nèi)所需控保證器件內(nèi)所需控制電流制電流I?；舳敵龆私迂撦d。霍耳輸出端接負載R3, ,R3可是一般電阻或放大器的可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件垂直通過霍耳器件, ,

11、在磁場在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。與控制電流作用下，由負載上獲得電壓。UHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實際使用時實際使用時, ,器件輸入信號可以是器件輸入信號可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而輸出可以而輸出可以正比于正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘積或者正比于其乘積IBIB。（三）基本電路（三）基本電路控制電流控制電流I；霍耳電勢霍耳電勢UH；控制電壓控制電壓V；輸出電阻輸出電阻R2；輸入電阻輸入電阻R1；霍耳負載電阻霍耳負載電阻R3；霍耳電流霍耳電流IH。 IKBIdRUIHHVKVRKBVdRRUVHH1111上兩式是霍耳器件中的基本公式。

12、即：上兩式是霍耳器件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和輸入電流或輸入電壓和霍耳輸出電勢完全呈線性關(guān)系?；舳敵鲭妱萃耆示€性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項如果輸入電流或電壓中任一項固定時，磁感應強度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。固定時，磁感應強度和輸出電勢之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓同樣，若給出控制電壓V V，由于，由于V=RV=R1 1I I，可得控制電壓和霍耳電，可得控制電壓和霍耳電勢的關(guān)系式勢的關(guān)系式設霍耳片厚度設霍耳片厚度 d d 均勻，電流均勻，電流 I I 和霍耳電場的方向分別平行于和霍耳電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流長、短邊界，則控制電流 I I

13、 和霍耳電勢和霍耳電勢 U UH H 的關(guān)系式的關(guān)系式二、基本特性二、基本特性1、直線性、直線性：指霍耳器件的輸出電勢：指霍耳器件的輸出電勢VH分別和基本參數(shù)分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。之間呈線性關(guān)系。UH=KHBI 2 2、靈敏度、靈敏度：可以用乘積靈敏度或磁場靈敏度以及電流靈敏度、：可以用乘積靈敏度或磁場靈敏度以及電流靈敏度、電勢靈敏度表示：電勢靈敏度表示：K KH H乘積靈敏度，表示霍耳電勢乘積靈敏度，表示霍耳電勢V VH H與磁感應強度與磁感應強度B B和控制電流和控制電流I I乘積之間的比值，通常以乘積之間的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。因為霍

14、耳元件的輸出。因為霍耳元件的輸出電壓要由兩個輸入量的乘積來確定電壓要由兩個輸入量的乘積來確定, ,故稱為故稱為乘積靈敏度乘積靈敏度。KB磁場靈敏度，通常以額定電流為標準。磁場靈敏度等磁場靈敏度，通常以額定電流為標準。磁場靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時每單位磁感應強度對應的霍耳電于霍耳元件通以額定電流時每單位磁感應強度對應的霍耳電勢值。勢值。常用于磁場測量等情況。常用于磁場測量等情況。 KI電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應電流靈敏度，電流靈敏度等于霍耳元件在單位磁感應強度下電流對應的霍耳電勢值。強度下電流對應的霍耳電勢值。若若控制電流值固定控制電流值固定，則：，則：UHKBB若若

15、磁場值固定磁場值固定，則：，則：UHKI I3、額定電流、額定電流：霍耳元件的允許溫升規(guī)定著一個最大控制電流。：霍耳元件的允許溫升規(guī)定著一個最大控制電流。4、最大輸出功率、最大輸出功率 在霍耳電極間接入負載后，元件的功率輸在霍耳電極間接入負載后，元件的功率輸出與負載的大小有關(guān)，當霍耳電極間的內(nèi)阻出與負載的大小有關(guān)，當霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負載等于霍耳負載電阻電阻R3時，霍耳輸出功率為最大。時，霍耳輸出功率為最大。 22max4/ RUPHO5 5、最大效率、最大效率 霍耳器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，霍耳器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，和最大輸出對應的效率，稱為最大效率，即：和

16、最大輸出對應的效率，稱為最大效率，即：1222maxmax4/RIRUPPHinO6、負載特性、負載特性 當霍耳電極間串接有負載時，因為流過霍耳電當霍耳電極間串接有負載時，因為流過霍耳電流，在其內(nèi)阻上將產(chǎn)生壓降，故實際霍耳電勢比理論值小。由流，在其內(nèi)阻上將產(chǎn)生壓降，故實際霍耳電勢比理論值小。由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應的影響，霍耳電勢和磁感應強度于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應的影響，霍耳電勢和磁感應強度之間便失去了線性關(guān)系。如之間便失去了線性關(guān)系。如圖圖所所示示。 VH8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理論值理論值實際值實際值R3I霍耳電勢的負

17、載特性=R3/R2 霍耳電勢隨負載電阻值而改變的情況7、溫度特性、溫度特性：指霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入：指霍耳電勢或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性。它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻阻抗和輸出阻抗的溫度特性。它們可歸結(jié)為霍耳系數(shù)和電阻率（或電導率）與溫度的關(guān)系。率（或電導率）與溫度的關(guān)系。霍耳材料的溫度特征霍耳材料的溫度特征（a）RH與溫度的關(guān)系；（與溫度的關(guān)系；（b）與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0雙重影響雙重影

18、響：元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，影響：元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，影響靈敏度。二者相反靈敏度。二者相反。砷化銦砷化銦銻化銻化銦銦砷化銦砷化銦銻化銻化銦銦8、頻率特性、頻率特性u磁場恒定，而通過傳感器的電流是交變的。磁場恒定，而通過傳感器的電流是交變的。器件的頻率特性器件的頻率特性很好，到很好，到10kHz時交流輸出還與直流情況相同。因此時交流輸出還與直流情況相同。因此, ,霍耳器件霍耳器件可用于微波范圍可用于微波范圍, ,其輸出不受頻率影響。其輸出不受頻率影響。 u磁場交變。磁場交變?；舳敵霾粌H與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導霍耳輸出不僅與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導率、周

19、圍介質(zhì)的磁導率及磁路參數(shù)率、周圍介質(zhì)的磁導率及磁路參數(shù)( (特別是氣隙寬度特別是氣隙寬度) )等有關(guān)。等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件與導體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生這是由于在交變磁場作用下，元件與導體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。渦流的緣故。 總之，在交變磁場下，當頻率為數(shù)十總之，在交變磁場下，當頻率為數(shù)十kHz時，可以不考慮頻時，可以不考慮頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時，如果能仔細設計氣隙時，如果能仔細設計氣隙寬度，選用合適的元件和導磁材料，仍然可以保證器件有良好寬度，選用合適的元件和導磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。的頻率特性的。 三、三、霍

20、耳開關(guān)集成傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器霍耳開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應與集成電路技術(shù)結(jié)合而霍耳開關(guān)集成傳感器是利用霍耳效應與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以量，并以開關(guān)信號形式輸出開關(guān)信號形式輸出?；舳_關(guān)集成傳感器具有使用?；舳_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。高、溫度特性好、能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點。由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大器、整形電路、開路輸出五部由穩(wěn)壓電路、霍耳元件、

21、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。分組成。 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；作；開路輸出開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口?？墒箓鞲衅鞣奖愕嘏c各種邏輯電路接口。 1 1霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍耳開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大BT整形地H3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b）應用電路）應用電路 （a）外型）外型 霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應用電路霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應用電路1232 2霍耳開關(guān)集成傳感器

22、的工作特性曲線霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線 從工作特性曲線上可以看出，從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。 圖中的圖中的BOP為工作點為工作點“開開”的的磁感應強度，磁感應強度，BRP為釋放點為釋放點“關(guān)關(guān)”的磁感應強度。的磁感應強度?；舳_關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：霍耳開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)： 工作電壓工作電壓 、磁感應強度、輸出截止電壓、磁感應強度、輸出截止電壓、 輸出導通電流、工作溫度、工作點。輸出導通電流、工作溫度、工作點?；舳_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍耳開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線

23、VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0 該曲線反映了外加磁該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁感強度高于系。當外加磁感強度高于BOP時，輸出電平由高變時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感強度低于當外加磁感強度低于BRP時，輸出電平由低變高，時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 3 3霍耳開關(guān)集成傳感器的應用霍耳開關(guān)集成傳感器的應用 （1）霍耳開關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳開關(guān)集成傳感器的一般接口電路霍耳開關(guān)

24、集成傳感器的一般接口電路VACRL磁鐵軸心接近式 在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，霍耳開關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo 磁鐵6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強度衰減很快。當磁鐵向傳感器接近到一定位置時,傳感器開關(guān)接通,而磁鐵移開到一定距離時開關(guān)關(guān)斷。應用時,如果磁鐵已選定,則應按具體的應用場合,對作用距離作合適的選擇。 （2）給傳感器施加磁場的方式 磁鐵側(cè)向滑近式磁鐵側(cè)向滑近式 要求磁鐵平面與傳感器平面的要求磁鐵平面

25、與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑滑近移動近移動的方式在傳感器前方通過的方式在傳感器前方通過?；舳_關(guān)集成傳感器的霍耳開關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁鐵磁鐵6.432L2距離距離L2/mm采用磁力集中器增加傳感器的磁感應強度在霍耳開關(guān)應用時，提高激勵傳感器的磁感應強度是一個重要方面。除選用磁感應強度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外，還可采用下列方法增強傳感器的磁感應強度。SN磁力

26、集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖SN磁鐵磁力集中器傳感器帶有磁力集中器的移動激勵方式示意圖帶有磁力集中器的移動激勵方式示意圖磁感應強度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁鐵與中心線的距離L2/mmB-L2曲線的對比圖曲線的對比圖 (a)加磁力集中器的移動激勵方式 激勵磁場應用實例(b)推拉式 兩個磁鐵的兩個磁鐵的S極都面對傳感器，這樣可以得到如極都面對傳感器，這樣可以得到如圖所示的較為線性的特性。圖所示的較為線性的特性。N SS N傳感器推拉式激勵磁場示意圖推拉式推拉式L1-