《霍尔式传感器》PPT课件.ppt

磁敏传感器磁敏传感器 磁场磁场电能电能 测量原理：测量原理：半导体材料中的自由电子及空穴半导体材料中的自由电子及空穴 随磁场改变其运动方向随磁场改变其运动方向 结构结构 结型结型 体型体型 霍尔传感器霍尔传感器 磁敏电阻磁敏电阻 磁敏二极管磁敏二极管 磁敏三极管磁敏三极管 1 7-1 7-1 霍尔传感器霍尔传感器 一、霍尔效应一、霍尔效应 霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度 霍尔电势霍尔电势 1 1、定义、定义霍尔：霍尔：18791879年年 半导体 2 2008-10-3 3 霍尔效应是指：半导体薄片置于磁感应强度为霍尔效应是指：半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I I 流过时，流过时， 在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势，这种现象称在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势，这种现象称 为霍尔效应。这一物理现象称为为霍尔效应。这一物理现象称为霍尔效应霍尔效应，所产生的电，所产生的电 势称为势称为霍尔电势霍尔电势。 c d a b 3 4 2 2、霍尔电势的产生、霍尔电势的产生 N N型半导体：型半导体： 洛仑兹力洛仑兹力 电场力电场力 动态平衡动态平衡 P P型：型： 霍尔系 数 电流电流 5 或或 或或 半导体 绝缘体 金属 材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟 灵敏度低、温度灵敏度低、温度 特性及线性度好特性及线性度好 灵敏度最高、灵敏度最高、 受温度影响大受温度影响大 输入1 输入2 输出1 输出2 磁性顶端 引线 衬底 霍尔元件 溅射工艺制作的溅射工艺制作的 锑化铟霍尔元件锑化铟霍尔元件 6 霍尔系数霍尔系数R R H H = = p p u u，其中，其中p p 为载流体的电阻为载流体的电阻 率，率， u u为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是为载流子的迁移率，半导体材料（尤其是 N N型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高，型半导体）电阻率较大，载流子迁移率很高， 因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传因而可以获得很大的霍尔系数，适于制造霍尔传 感器感器。 （金属的自由电子浓度大，产生的霍尔电势小，不宜作（金属的自由电子浓度大，产生的霍尔电势小，不宜作 为霍尔元件。）为霍尔元件。） 1 1）霍尔电势）霍尔电势U U H H 与材料的性质有关。与材料的性质有关。 综述：综述： 7 2）霍尔电势电势 UH与元件的尺寸有关。 (1)根据公式，d越小，霍尔灵敏度越高，所以霍尔元 件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出 电阻增加。 (2)从式中可以看出，元件的长宽比对UH也有影响。由 于控制电极（激磁电流输入输出端）对内部产生的霍 尔电势有局部短路作用，在两控制电极的中间出测量 的霍尔电势最大，离控制电极很近的地方，霍尔电势 下降到接近于零。为减少短路影响，长宽比要大一些 ，但如果过大，反而使输入功耗增加，降低元件的输 出。 一般为2。 8 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度 B B 不垂直于霍尔元件，而是不垂直于霍尔元件，而是 与其法线成某一角度与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔时，实际上作用于霍尔 元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄 片垂直的方向）的分量，即片垂直的方向）的分量，即 B B coscos ，这时的霍，这时的霍 尔电势为尔电势为 E EH H= =K KH H IBIBcoscos 9 二、霍尔元件的主要技术参数及特点二、霍尔元件的主要技术参数及特点 （1 1）额定激励电流）额定激励电流 I IH H 霍尔元件温升霍尔元件温升10 10 时所加的电流时所加的电流 焦尔热焦尔热 散热散热 表面散热系数表面散热系数 （2 2）不平衡电势）不平衡电势U U 0 0 不等位电势、零位电势不等位电势、零位电势 IIH H、B=0 B=0、空载霍尔电势空载霍尔电势 原因：两个霍尔电极不在同一等位面上原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良材料不均匀、工艺不良 10 （3 3）输入电阻）输入电阻R Ri i 、 、输出电阻 输出电阻R R 0 0 R Ri i 控制电流电极间的电阻控制电流电极间的电阻 R R0 0 输出霍尔电势电极间的电阻输出霍尔电势电极间的电阻 B = 0B = 0 欧姆表欧姆表 （4 4）霍尔电压）霍尔电压 V VH H 0.1 0.2 0.3 0.40.1 0.2 0.3 0.4 250250 200200 150150 100100 50 50 0 0 0.1 0.2 0.3 0.40.1 0.2 0.3 0.4 250250 200200 150150 100100 50 50 0 0 （5 5）霍尔电压的温度特性）霍尔电压的温度特性负温度特性负温度特性 11 霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标 12 三、霍尔元件连接方式和输出电路三、霍尔元件连接方式和输出电路 1 1、基本测量电路、基本测量电路 特点：特点： （1 1）测量磁物理量、电量及其它物理量）测量磁物理量、电量及其它物理量 （2 2）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件）实现乘法运算，构成各种非线性运算部件 （3 3）输出信号的信噪比大）输出信号的信噪比大 （4 4）频率范围宽：直流）频率范围宽：直流 数百千赫兹数百千赫兹 （5 5）体积小、重量轻）体积小、重量轻 （6 6）稳定性好、寿命长）稳定性好、寿命长 13 2 2、霍尔元件连接方式、霍尔元件连接方式 控制电流端并联控制电流端并联 输出电势为：输出电势为：2 2倍倍 控制电流端串联控制电流端串联 次级绕阻叠加输出次级绕阻叠加输出 E + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 直流供电方式：直流供电方式： 交流供电方式：交流供电方式： 14 3 3、霍尔电势的输出电路、霍尔电势的输出电路 四端器件四端器件 输出电势：输出电势：mVmV量级量级 线性应用：比例放大器线性应用：比例放大器 线性度好、低噪声放大器线性度好、低噪声放大器 15 16 开关应用：射极跟随器开关应用：射极跟随器 灵敏度高：一般放大器灵敏度高：一般放大器 17 四、霍尔元件的测量误差及补偿方法四、霍尔元件的测量误差及补偿方法 1 1、零位误差及补偿、零位误差及补偿 半导体固有特性半导体固有特性 半导体制造工艺缺陷半导体制造工艺缺陷零位误差零位误差 温度误差温度误差 原因：原因： 不等位电压不等位电压 寄生直流电压寄生直流电压 电极和引线布置不合理电极和引线布置不合理 18 A A、B B同一等位面：同一等位面：U U 0 0 = 0 = 0、电桥平衡电桥平衡 A A、B B非同一等位面：非同一等位面：U U 0 0 = 0 = 0、电桥不平衡电桥不平衡 电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻电桥补偿原理：在阻值较大的桥臂上并联电阻 等效等效 造成不等位电压的原因：不等位、元件电造成不等位电压的原因：不等位、元件电 阻率不均匀；厚度不均匀阻率不均匀；厚度不均匀 （1 1）不等位电压）不等位电压 19 （a a） （b b） （c c） 20 （2 2）寄生直流电压）寄生直流电压 当霍尔元件通过交流控制电流而不加磁场时，霍当霍尔元件通过交流控制电流而不加磁场时，霍 尔电压除了交流不等位电压外，还有直流电压分尔电压除了交流不等位电压外，还有直流电压分 量，即寄生直流电压。量，即寄生直流电压。 形成原因：形成原因： l l霍尔元件的两对电极不是完全欧姆接触而形霍尔元件的两对电极不是完全欧姆接触而形 成整流效应；成整流效应； l l霍尔电极的焊点大小不等霍尔电极的焊点大小不等 l l热容量不同引起温差热容量不同引起温差 21 2 2、温度误差及补偿、温度误差及补偿 电阻率、迁移率、载流子浓度：电阻率、迁移率、载流子浓度：T T 霍尔元件内阻、霍尔电势：霍尔元件内阻、霍尔电势：T T 1 1）恒流源供电和输入回路并联电阻）恒流源供电和输入回路并联电阻 当温度引起输入当温度引起输入 电阻变化，在稳压电阻变化，在稳压 源供电时，会引起源供电时，会引起 控制电流的变化。控制电流的变化。 为了减小此误差，为了减小此误差， 采用恒流源供电。采用恒流源供电。 对于具有正温度对于具有正温度 系数的霍尔元件，系数的霍尔元件， 在其输入回路中并在其输入回路中并 联补偿电阻。联补偿电阻。 当输入电阻增加时，当输入电阻增加时，R R会强制分流会强制分流 ，减少了流过控制电极的电流，从，减少了流过控制电极的电流，从 而使而使KKH H与 与I I乘积基本不变。乘积基本不变。 22 温度为温度为T0T0时时 控制电流控制电流 温度升到温度升到T T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为 23 为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足：升温前后的霍尔为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足：升温前后的霍尔 电势不变，即电势不变，即 24 忽略忽略T T 2 2 高次项，得到高次项，得到 对于确定的霍尔元件，对于确定的霍尔元件，r r 0 0 、都是都是 确定值，由此可以计算出补偿电阻的大小确定值，由此可以计算出补偿电阻的大小 。 25 26 2 2）恒压源供电和输入回路串联电阻）恒压源供电和输入回路串联电阻 要求霍尔元件输出端工作在开要求霍尔元件输出端工作在开 路状态下。补偿电阻与前述补路状态下。补偿电阻与前述补 偿电阻相等。偿电阻相等。 27 28 29 3 3）合理选取负载电阻）合理选取负载电阻R R L L 的大小的大小 4 4）采用温度补偿元件）采用温度补偿元件 5 5）不等位电压的温度补偿）不等位电压的温度补偿 30 五、霍尔开关集成传感器 霍尔效应 集成电路技术 开关信号 磁敏传感器 31 1 1、结构及工作原理、结构及工作原理 稳压 材料：硅材料：硅 工艺：硅平面工艺工艺：硅平面工艺 提高灵敏度提高灵敏度 N N型硅外延层很薄型硅外延层很薄 集成工艺集成工艺 工作原理：工作原理： 有磁场：有磁场：V VH H， ，放大，整形：放大，整形： 开启阈值，高电平开启阈值，高电平 VTVT导通，具有吸收电流的负载能力导通，具有吸收电流的负载能力 磁场减弱：磁场减弱：V VH H 减小，放大，整形： 减小，放大，整形： 关闭阈值，关闭阈值， 翻转，低电平，翻转，低电平，VTVT截止截止 开状态开状态 关状态关状态 32 2 2、工作特性、工作特性 1212 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 0 0 工作点工作点“ “开开” ” 释放点释放点“ “关关” ” 磁滞磁滞 高高低，开状态低，开状态 低低高高，关状态，关状态 3 3、接口电路、接口电路 3020T 外形外形 应用电路应用电路 33 K K 34 4 4、磁场施加方式、磁场施加方式 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 202.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 0.100.10 0.090.09 0.080.08 0.070.07 0.060.06 0.050.05 0.040.04 0.030.03 0.020.02 0.010.01 0 0 （1 1）磁铁轴心接近式）磁铁轴心接近式 两轴心方向重合两轴心方向重合 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 202.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 0.100.10 0.090.09 0.080.08 0.070.07 0.060.06 0.050.05 0.040.04 0.030.03 0.020.02 0.010.01 0 0 （2 2）磁铁侧向滑近式）磁铁侧向滑近式 两平面距离不变，两平面距离不变， 磁铁轴线与传感器磁铁轴线与传感器 平面垂直平面垂直 35 （3 3）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度）采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 0 2.5 5 7.5 100 2.5 5 7.5 10 0.100.10 0.08 0.08 0.06 0.06 0.04 0.04 0.02 0.02 36 六、霍尔线性集成传感器六、霍尔线性集成传感器 1 1、结构及工作原理、结构及工作原理 输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系 构成：霍尔元件、放大器、稳压、构成：霍尔元件、放大器、稳压、 电流放大输出级、失调调整、线性度调整电流放大输出级、失调调整、线性度调整 稳压 单端输出：单端输出：SL3501TSL3501T双端输出： 双端输出：SL3501MSL3501M 稳压 37 2 2、主要技术特性、主要技术特性 -0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3-0.3 -0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 5.65.6 4.64.6 3.63.6 2.62.6 1.61.6 SL3501T SL3501T 输出特性曲线输出特性曲线 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.320.04 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 2.52.5 2.02.0 1.51.5 1.01.0 0.50.5 0 0 SL3501M SL3501M 输出特性曲线输出特性曲线 霍尔线性集成传感器的技术参数霍尔线性集成传感器的技术参数 38 七、霍尔传感器的应用七、霍尔传感器的应用 1 1、霍尔位移传感器、霍尔位移传感器 磁场梯度越大，灵敏度越高磁场梯度越大，灵敏度越高 磁场梯度越均匀，输出线性越好磁场梯度越均匀，输出线性越好 测量范围：测量范围：