半導(dǎo)體敏磁傳感器

半導(dǎo)體敏磁傳感器第一頁，共四十頁，2022年，8月28日簡介磁敏式傳感器都是利用半導(dǎo)體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成。按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)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(jié)型的有磁敏二極管(Ge、Si)，磁敏三極管(Si)應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日7.1霍爾傳感器7.1.1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢差也被叫做霍爾電勢差。第三頁，共四十頁，2022年，8月28日7.1.1霍爾效應(yīng)有一如圖所示的半導(dǎo)體薄片，若在它的兩端通以控制電流I，在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，則在薄片的另兩側(cè)面會產(chǎn)生與I和B的乘積成比例的電動(dòng)勢UH（霍爾電勢或稱霍爾電壓）。這種現(xiàn)象就稱為霍爾效應(yīng)?？刂齐姌O控制電流霍爾電極第四頁，共四十頁，2022年，8月28日圖7-1霍爾效應(yīng)UHbldIFLFEvB7.1.1霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中的自由電荷在磁場中受到洛倫茲力作用而產(chǎn)生的。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日所以，霍爾電壓UH可表示為

UH=EHb=vBb

(7-3)設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流I時(shí)

FL=qvB

(7-1)當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有

qEH=qvB故霍爾電場的強(qiáng)度為

EH=vB

（7-2）第六頁，共四十頁，2022年，8月28日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(yīng)的強(qiáng)弱。

第七頁，共四十頁，2022年，8月28日設(shè)KH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小.單位是mV/（mA·T）第八頁，共四十頁，2022年，8月28日霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來表征，即在單位電場強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。即所以而第九頁，共四十頁，2022年，8月28日比較得或結(jié)論：①如果是P型半導(dǎo)體，其載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得第十頁，共四十頁，2022年，8月28日②霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。④霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。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(dǎo)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(dǎo)體材料。第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日7.1.2霍爾元件的構(gòu)造及測量電路基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大。霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖所示。第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日霍爾片是一塊半導(dǎo)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(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極。第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日2測量電路W1W2UHUH~（a）基本測量電路WUHRLE（b）直流供電輸出方式（c）交流供電輸出方式第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日7.1.3霍爾元件的技術(shù)參數(shù)1.額定功耗P0在環(huán)境溫度25℃時(shí)，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(shí)用歐姆表等測量。第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日4.霍爾溫度系數(shù)α在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1℃時(shí)，霍爾電勢變化的百分率。即：3.不等位電勢U0在額定控制電流I下，不加磁場時(shí)霍爾電極間的空載霍爾電勢。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日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(shí)，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(dǎo)體材料第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日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(gè)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(bǔ)償。如圖所示，因此當(dāng)控制電流I流過元件時(shí)，即使磁場強(qiáng)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(bǔ)償1.零位誤差及補(bǔ)償方法第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日圖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(shí)，我們把霍爾元件等效為一個(gè)電橋，第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日幾種常用補(bǔ)償方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日2.溫度誤差及補(bǔ)償由于半導(dǎo)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(guān)系曲線見圖，第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日圖中，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(shí)，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(shí)，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。

第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償（a）基本電路（b）等效電路

UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR補(bǔ)償電阻恒流源霍爾元件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏嗟诙?，共四十頁?022年，8月28日元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：則霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：由圖可知：

UHEIR第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日對上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式：即：要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使

當(dāng)元件的α、β及內(nèi)阻Ri0確定后，溫度補(bǔ)償電阻R便可求出。第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日（2）利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)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第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日

在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋捍藭r(shí)，RL上的電壓為:負(fù)載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為UHIIRL第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日求解得：第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時(shí)，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(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償?shù)诙彭?，共四十頁?022年，8月28日對于溫度系數(shù)大的半導(dǎo)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(jìn)行補(bǔ)償。例如在輸入回路串入熱敏電阻，當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，從而使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償（a）輸入回路補(bǔ)償RRt第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日（b）輸出回路補(bǔ)償

或在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償。負(fù)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(bǔ)償。實(shí)際使用時(shí)，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第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日（5）利用補(bǔ)償電橋進(jìn)行補(bǔ)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(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。溫度變化時(shí)，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，仔細(xì)調(diào)節(jié)，即可補(bǔ)償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關(guān)。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日7.2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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)。第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日7.2.1開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)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(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號。

霍爾開關(guān)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。

第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日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(guān)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。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日例霍爾位移傳感器第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日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(yīng)，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(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時(shí)，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日 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(guān)系?；魻栯妱莸臉O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(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，霍爾電勢的變化為： 式中：k