第一節(jié) 霍爾傳感器

第八章常用半導(dǎo)體傳感器

用半導(dǎo)體敏感元件構(gòu)成半導(dǎo)體傳感器，近幾年發(fā)展較快，在國防和國民經(jīng)濟(jì)各個部門以及人們的日常生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)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(xué)量和生物量轉(zhuǎn)換成電量信息，此外，還只有體積小，重量輕，精度高，成本．便于集成化、多功能化，易于微機(jī)接口等優(yōu)點，因此，被廣泛用于過程自動監(jiān)視、災(zāi)害自動報警、自動測量、自動計量、自動控制等各個領(lǐng)域中。半導(dǎo)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，在某些情況下義限制了半導(dǎo)體傳感器的應(yīng)用。第一節(jié)霍爾傳感器

一、工作原理、材料及結(jié)構(gòu)特點

(一)霍爾效應(yīng)通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)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。正電荷q>0負(fù)電荷q<0+I+++++++++++－－－－－－ＢLld霍耳效應(yīng)原理圖UHP型半導(dǎo)體載流子為空穴－I－－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋ＢLld霍耳效應(yīng)原理圖UHN型半導(dǎo)體載流子為電子正電荷q>0負(fù)電荷q<0可以看出：輸入電流I和次感應(yīng)強(qiáng)度B一定時，N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體得霍爾電勢極性相反設(shè)霍耳片的長度為L，寬度為l，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q—電子電量(1.62×10-19C)；v—電于運(yùn)動速度。同時，作用于電子的電場力當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時電流密度j=nqvn—N型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體p—P型半導(dǎo)體中的孔穴濃度N型半導(dǎo)體用同樣的方法可得p型半導(dǎo)體霍耳電勢UH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成：

—霍耳系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。ρ—材料電阻率μ—載流子遷移率,μ=v/E,即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。金屬材料，電子μ很高但ρ很小，絕緣材料，ρ很高但μ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(qiáng)霍耳效應(yīng)，霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。因為電子的遷移率總是大于空穴的遷移率，故霍爾片都采用N型半導(dǎo)體。設(shè)KH=RH/d

KH—霍耳器件的乘積靈敏度。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(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍耳電勢的大小。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為θ時，霍耳電勢應(yīng)為：

VH＝KH

IB

VH＝KHIBcosθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時，霍耳電勢并不改變方向。(二)材料及結(jié)構(gòu)特點

霍爾元件一般采用N型鍺、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)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，且

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。

霍爾元件的結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成?；魻栐且粔K矩形半導(dǎo)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線，在焊接處要求接觸電阻小，呈純電阻性質(zhì)(歐姆接觸)?；魻柶话阌梅谴判越饘偬沾苫颦h(huán)氧樹脂封裝?；舳骷琣)實際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.2dsL（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C、D相應(yīng)地稱為霍耳端或輸出端。若霍耳端子間連接負(fù)載,稱為霍耳負(fù)載電阻或霍耳負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。

器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)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，名稱及型號，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一規(guī)定，為敘述方便起見，暫規(guī)定下列名稱的符號。

圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；舳敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。UHR3VBIEIH霍耳器件的基本電路R實際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B,或者正比于其乘積IB。（三）基本電路控制電流I；霍耳電勢UH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負(fù)載電阻R3；霍耳電流IH。

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霍耳輸出電勢完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項固定時，磁感應(yīng)強(qiáng)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V，由于V=R1I，可得控制電壓和霍耳電勢的關(guān)系式設(shè)霍耳片厚度d均勻，電流I和霍耳電場的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍耳電勢UH的關(guān)系式二、基本特性1、直線性：指霍耳器件的輸出電勢VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。UH=KHBI

2、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：KH——乘積靈敏度，表示霍耳電勢VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值，通常以mV/(mA·0.1T)。因為霍耳元件的輸出電壓要由兩個輸入量的乘積來確定,故稱為乘積靈敏度。KB——磁場靈敏度，通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場靈敏度等于霍耳元件通以額定電流時每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對應(yīng)的霍耳電勢值。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(yīng)強(qiáng)度下電流對應(yīng)的霍耳電勢值。若控制電流值固定，則：UH＝KBB若磁場值固定，則：UH＝KII3、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。4、最大輸出功率在霍耳電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸出與負(fù)載的大小有關(guān)，當(dāng)霍耳電極間的內(nèi)阻R2等于霍耳負(fù)載電阻R3時，霍耳輸出功率為最大。

5、最大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(yīng)的效率，稱為最大效率，即：6、負(fù)載特性當(dāng)霍耳電極間串接有負(fù)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。由于霍耳電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響，霍耳電勢和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間便失去了線性關(guān)系。如圖所示。

VH8060402000.20.40.60.81.0VH/mVλ=∞λ=7.0λ=1.5λ=3.0B/T理論值實際值R3I霍耳電勢的負(fù)載特性λ=R3/R2

霍耳電勢隨負(fù)載電阻值而改變的情況7、溫度特性：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)和電阻率（或電導(dǎo)率）與溫度的關(guān)系?；舳牧系臏囟忍卣鳎╝）RH與溫度的關(guān)系；（b）ρ與溫度的關(guān)系RH/cm2/℃﹒A-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/℃0246ρ/7×10-3Ω·cmLnAs20015010050LnSbT/℃0雙重影響：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。砷化銦銻化銦砷化銦銻化銦8、頻率特性磁場恒定，而通過傳感器的電流是交變的。器件的頻率特性很好，到10kHz時交流輸出還與直流情況相同。因此,霍耳器件可用于微波范圍,其輸出不受頻率影響。

磁場交變?；舳敵霾粌H與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場作用下，元件與導(dǎo)體一樣會在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。

總之，在交變磁場下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時，可以不考慮頻率對器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時，如果能仔細(xì)設(shè)計氣隙寬度，選用合適的元件和導(dǎo)磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。三、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(yīng)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)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出?；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、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)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、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。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VoutR=2kΩ+12V123（b）應(yīng)用電路（a）外型

霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路1232．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，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。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；舳_關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)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VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0

該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

3．霍耳開關(guān)集成傳感器的應(yīng)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VACRL①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Ф6.4×320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520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(qiáng)度衰減很快。當(dāng)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(yīng)用時,如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)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

②磁鐵側(cè)向滑近式

要求磁鐵平面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。磁鐵以滑近移動的方式在傳感器前方通過?；舳_關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙2.05AlNiCo

磁鐵Ф6.4×32L2距離L2/mm③采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍耳開關(guān)應(yīng)用時，提高激勵傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個重要方面。除選用磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵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磁感應(yīng)強(qiáng)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

(a)加磁力集中器的移動激勵方式

④激勵磁場應(yīng)用實例(b)推拉式

兩個磁鐵的S極都面對傳感器，這樣可以得到如圖所示的較為線性的特