半导体敏磁传感器 (2)课件

第七章半导体磁敏传感器简介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。按其结构可分为体型和结型两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。结型的有磁敏二极管(Ge、Si)，磁敏三极管(Si)应用范围可分为模拟用途和数字用途。7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应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（A.H.Hall，1855—1938）于1879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，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。图7-1霍尔效应UHbldIFLFEvB7.1.1霍尔效应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。所以，霍尔电压UH可表示为

UH=EHb=vBb

(7-3)设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时

FL=qvB

(7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有

qEH=qvB故霍尔电场的强度为

EH=vB

（7-2）流过霍尔元件的电流为

I=dQ/dt=bdvnq得：

v=I/nqbd

(7-4)

所以：

UH=BI/nqd

若取

RH=1/nq

则

RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。它反映材料霍尔效应的强弱。

霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即所以而比较得或结论：①如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得②霍尔电压UH与材料的性质有关。③霍尔电压UH与元件的尺寸有关。④霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。材料的ρ、μ大，RH就大。金属的μ虽然很大，但ρ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的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。2测量电路W1W2UHUH~（a）基本测量电路WUHRLE（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式7.1.3霍尔元件的技术参数1.额定功耗P0在环境温度25℃时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi是指控制电极之间的电阻值。R0指霍尔元件输出电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。5.内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：6.灵敏度或：减小d;选好的半导体材料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加以补偿。如图所示，因此当控制电流I流过元件时，即使磁场强度B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。7.1.4霍尔元件的测量误差和补偿1.零位误差及补偿方法图7-4不等位电势图7-5霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一个电桥，2.温度误差及补偿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。我们把温度每变化1℃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β表示。把温度每变化1℃时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用α表示。

(1)利用输入回路串联电阻进行补偿（a）基本电路（b）等效电路

UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR补偿电阻恒流源霍尔元件温度补偿的方法很多对上式求温度的导数，可得增量表达式：即：要使温度变化时霍尔电压不变，必须使

当元件的α、β及内阻Ri0确定后，温度补偿电阻R便可求出。（2）利用输出回路的负载进行补偿

（a）基本电路（b）等效电路

UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。即，可以不考虑输入回路的温度影响

在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：此时，RL上的电压为:负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为UHIIRL当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行补偿即可。若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3）利用恒流源进行补偿对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。（4）利用热敏电阻进行补偿（a）输入回路补偿RRt（b）输出回路补偿

或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。RRLRt（5）利用补偿电桥进行补偿调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt7.2集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。7.2.1开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。

7.2.2线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。

一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，

霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。例霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从

a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 式中：k是位移传感器的输出灵敏度。 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。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB／dx为一常数，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为： 式中：k是位移传感器的输出灵敏度。