半导体敏磁传感器

1、半导体敏磁传感器7.1 7.1 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于）于1879年在研究金属的导电机构年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔电势差。有一如图所示的半导体薄片，有一如图所示的半导体薄

2、片，若在它的两端通以控制电流若在它的两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为感应强度为B的磁场，则在的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与薄片的另两侧面会产生与I和和B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍压）。这种现象就称为霍尔效应。尔效应。霍尔电极霍尔电极UHbldIFLFEvB是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。dRKHH bBlUvbBUH IBKUHH 材料的材料的、大，大，RH就大。金属的就大。金属的虽然很大，

3、但虽然很大，但很小，故很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且的大，且np，所以霍尔元件一般采用，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。型半导体材料。W1W2UHUHWUHRLE 不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平衡的原理两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。如图所示，加以补偿。如图所示， 因此当控制电流因此当控制电流I流过元件时，即使磁流过元件时，即使磁场强度场强度B等于零，

4、在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。不等位电势。AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4 在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一个电桥，个电桥，BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温变化而发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电

5、压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图，度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图， 图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化温度每变化11时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用对变化率称为内阻温度系数，用表示。把温度每变表示。把温度每变化化11时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用数，用表示。表示。 UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR霍尔元件温度补偿的方法很多U

6、HEIR式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得： UH=kx说明，霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性说明，霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好。梯度越均匀，输出线性度越好。kdxdBIRdxdUHH 若磁场在一定范围内沿若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度dBdx为一常数，则为一常数，则当霍尔元件沿当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为：方向移动时，霍尔电势的变化为：式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得： UH=kx说明，霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的极性反映了元件位说明