常用半導(dǎo)體傳感器

常用半導(dǎo)體傳感器第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一d為霍爾元件的厚度洛倫茲力：FL=-ev

B電荷聚集，UH產(chǎn)生靜電場產(chǎn)生反力：FE=-eEU

=-eUH

/b平衡時：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)生是由于運動電荷受磁場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2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一

UH=KHIB

霍爾電勢的大小正比于控制電流I和磁感應(yīng)強度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)強度和單位控制電流時輸出霍爾電壓大小的重要參數(shù)當控制電流方向或磁場方向改變時，輸出電動勢方向也將改變第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一二、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）霍爾片長邊/短邊>4，輸出不受影響（一般長邊/短邊=2,短邊通以電流，長邊輸出UH）建立霍爾效應(yīng)的時間很短：10-2～10-14ｓ控制電流用交流時，頻率可以很高（幾千兆赫）第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一接觸要求：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5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一由于建立霍爾效應(yīng)的時間很短，因此控制電流用交流時，頻率可以很高（幾千兆赫）

在磁場作用下，負載上有電壓輸出。實際使用時,以I或B,或同時作為輸入信號，而輸出信號則正比于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為負載電阻第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一

四、電磁特性1）ＵH—I特性：UH=KHIB

在磁場和環(huán)境溫度一定時，霍爾輸出電動勢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7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一五、材料及結(jié)構(gòu)特點一般采用以下半導(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量第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一六、誤差分析及誤差補償方法１）元件的幾何尺寸、電極的接點大小對性能的影響UH=

fH()RHIBdLlfH(L/l)為元件的形狀系數(shù)當L/l>2時,形狀系數(shù)fH(L/l)接近于1實際上,取L/l=2b)霍爾電極的大小對霍爾電動勢輸出有影響當S/L<0.1時,電極寬度的影響才可以忽略不記.a)第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一UH=

fH()RHIBdLlS/L<0.1第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一

2）不等位電動勢及其補償主要零位誤差，制作時不能保證將霍爾電動勢極焊在同一等位面上.第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一3）寄生直流電動勢a）非歐姆接觸造成控制電流極和霍爾電動勢極上的整流效應(yīng)b）電動勢極的的焊點不一致,兩焊點的熱容量不一致產(chǎn)生溫差寄生直流電動勢第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一自身補償法4）感應(yīng)電動勢在交變磁場中工作時,在輸出回路中產(chǎn)生附加感應(yīng)電動勢,其大小正比于磁場變化的頻率和磁感應(yīng)強度的幅值,并與霍爾電動勢極引線構(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，自身補償法第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一5）溫度誤差補償由于半導(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、霍爾電動勢也將隨溫度變化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其它溫度補償法第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一七、霍爾傳感器的特點：霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然其轉(zhuǎn)換效率低，溫度影響大，但簡單、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)強度、高梯度磁場參數(shù)的測量。此外，也可用于位移、加速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量以及自動控制。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15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一2）按被檢測的對象的性質(zhì)可分為：直接應(yīng)用：直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性（高斯計）間接應(yīng)用：檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，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)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制

為了精確地測量磁場,常用恒流源供電,使被測磁場的磁感應(yīng)強度B可用霍爾電壓來量度電流傳感器電功率計電機控制（直流無刷電機）第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一1．電流的測量圖給出了霍爾元件用于測量電流時的工作原理圖。標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，用于安置霍爾元件，圓環(huán)上繞有線圈，當檢測電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器就有信號輸出。若采用傳感器為UGN-3501M，當線圈為9匝，電流為20A時，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器或過載保護裝置。圖電流測量原理第17頁，共18頁，2023年，2月20日，星期一2．位移的測量霍爾元件也常用于微位移測量。將磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置；將線性霍爾元件置于兩塊磁鐵的中間，其磁感應(yīng)強度為零，這個位置可以取為位移零點，故在Z=0時，B