半导体敏磁传感器

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。7.1.1霍尔效应有一如图所示的半导体薄片，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感应强度为B的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。控制电极控制电流霍尔电极图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。

设KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小.单位是mV/（mA·T）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。7.1.2霍尔元件的构造及测量电路基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。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。4.霍尔右温度唇系数α在一棵定的水磁感和应强指度和缝控制伪电流座下，突温度这变化1℃时，副霍尔破电势屈变化喂的百爱分率描。即：3.不等姥位电从势U0在额庭定控芹制电响流I下，续不加便磁场饲时霍户尔电珍极间的威空载纺霍尔芦电势爱。5.内阻尘温度科系数β霍尔欲元件仁在无至磁场这及工低作温洪度范伸围内雁，温勺度每际变化1℃时，诉输入调电阻蒸与输极出电姑阻变丹化的矛百分董率。即：6.灵敏绪度或：减小d;选好右的半袖导体浇材料不等魂位电胁压是由于咳元件放输出求极焊肾接不咽对称好、厚母薄不读均匀乱以及推两个蛛输出航极接墓触不娘良等芽原因昆造成纺的，可以歉通过疏桥路堤平衡权的原富理加恋以补株偿。如图役所示欣，傻因此替当控得制电帜流I流过出元件紧时，木即使恐磁场躬强度B等于治零，狗在霍针尔电毙极上裤仍有毯电势胞存在矛，该感电势茶就称肿为不等旷位电坝势。7.夜1.顾4霍尔西元件恭的测捏量误症差和此补偿1.零位查误差猴及补且偿方访法图7-尤4不等咱位电叶势图7-半5霍尔砍元件阅的等遇效电辱路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4在分担析不脸等位导电势躁时，敏我们把霍婶尔元夕件等抗效为遗一个北电桥，几种左常用紫补偿拌方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2.温度差误差蛋及补岸偿由于惹半导老体材室料的电阻对率、迁移堵率和载流咽子浓垃度等会随温旅度的眉变化而发生床变化，所宿以霍栋尔元砖件的幼内阻考、输测出电话压等榆参数绒也将猫随温看度而渣变化扔。不游同材渡料的启内阻乱及霍约尔电蛙压与注温度恐的关砍系曲接线见留图，图中童，内左阻和保霍尔朱电压士都用践相对柱比率殃表示遗。我趟们把温度默每变可化1柜℃时榨，霍膜尔元千件输致入电晓阻或幸输出闷电阻飞的相断对变辉化率围称为坚内阻遍温度垮系数耻，用β表示双。把温度洋每变五化1宏℃时宝，霍盼尔电杰压的跃相对撑变化抱率称泥为霍坟尔电狱压温偷度系遥数，距用α表示军。(1窄)利用仁输入范回路跟串联楚电阻勉进行数补偿（a）基啦本电施路劳（b）等春效电荒路UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR补偿焰电阻恒流毅源霍尔爆元件简温度饼补偿慌的方币法很直多元件激霍尔哈系数淘和输废入内吃阻与偷温度炼之间辱的关摘系式竖为：则霍控尔电我压随凡温度挣变化鼠的关义系式浅为：由图辱可知灰：UHEIR对上往式求逗温度古的导山数，难可得客增量凡表达饶式：即魂：要使胞温度紧变化境时霍破尔电蓝压不赔变，长必须晴使当元搅件的α、β及内弱阻Ri0确定蝴后，钥温度顷补偿搬电阻R便可衬求出盼。（2）利饲用输终出回撑路的弹负载淡进行资补偿（a）基呆本电摔路侵（b）等帜效电为路UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍尔牧元件长的输崖入采校用恒流浪源，使郑控制仙电流迟Ｉ稳粘定不拔变。边即，端可以不考痕虑输配入回吧路的默温度矛影响在温度书影响放下，宣元件禾输出役电阻宇和电使势变苍为：此时偶，RL上的铅电压自为:负载剑电阻RL上电傲压随内温度调变化犯最小包的极好值条旺件为UHIIRL求解悄得：当负载街电阻馋比霍信尔元觉件输找出电魂阻大迁得多时依，输概出电赠阻变断化对忍霍尔弯电压困输出划的影岗响很饲小。汽在这滥种情轻况下聪，只禁考虑抚在输入另端进行窑补偿图即可亲。若采告用恒流表源，输黄入电炸阻随乎温度案变化支而引细起的辨控制浇电流徐的变各化极桌小，怜从而拳减少异了输悼入端针的温佛度影永响。（3）利暮用恒威流源胆进行超补偿对于温度态系数计大的半望导体裤材料锹常使来用。霍尔老输出透随温重度升勉高而笔下降往，只碧要能超使控矛制电茫流随战温度春升高面而上挣升，坐就能唯进行通补偿锋。例旧如在袖输入喂回路紧串入恢热敏断电阻恢，当估温度森上升亮时其爸阻值滴下降石，从拿而使录控制荐电流岭上升迈。（4）利慎用热仿敏电款阻进输行补臭偿（a）输鹅入回纽奉路补裁偿RRt（b）输供出回鞠路补霸偿或在舰输出事回路业进行丢补偿左。负梁载RL上的末霍尔浓电势虾随温孝度上慌升而遗下降轿的量兽被热裙敏电补阻阻道值减僚小所翠补偿翠。实际盒使用更时，膛热敏叼电阻案最好走与霍郑尔元茅件封荣在一间起或葱靠近漂，使旗它们只温度穴变化马一致篇。RRLRt（5）大利用歪补偿裹电桥率进行掠补偿调节吨电位踩器W1可以慌消除童不等喇位电面势。电桥乒由温刃度系奴数低努的电因阻构需成，贯在某冷一桥毅臂电晋阻上棋并联摊一热迹敏电彼阻。招温度争变化照时，浪热敏种电阻某将随科温度耕变化辰而变祸化，拐电桥畜的输朗出电拉压相板应变贩化，仔细提调节即，即歉可补德偿霍尔电居势的派变化送，使车其输出电耍压与酱温度甜基本脉无关乡丰。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt7.驴2集成粪霍尔甘传感洞器集成堆霍尔唉传感准器是匹利用橡硅集技成电束路工挠艺将释霍尔穷元件农和测呜量线芳路集罗成在削一起圣的霍够尔传凑感器叫。它症取消散了传等感器气和测瘦量电顷路之胖间的崇界限变，实孩现了腹材料廊、元馒件、杂电路三位援一体。集交成霍井尔传乞感器顷由于还减少视了焊臭点，已因此秘显著淋地提够高了可靠贷性。此阁外，宴它具毒有体积早小、秀重量洒轻、俭功耗烂低等优秀点。7.北2.年1开关奥型集胶成霍嚼尔传弃感器开关穗型集衡成霍躲尔传痒感器遗是把积霍尔毁元件根的输尺出经页过处尘理后摊输出旨一个羡高电蒙平或击低电店平的卖数字舰信号权。霍尔订开关治电路乒又称您霍尔每数字绵电路跌，由稳压拥器、钱霍尔飞片、杆差分未放大宋器，驶施密兔特触袋发器功和输梯出级五部边分组川成。7.殃2.脊2线性元集成牌霍尔立传感场器线性迅集成稍霍尔秘传感森器是功把霍日尔元此件与亡放大咱线路甲集成赖在一减起的卸传感祥器。剪其输出稿电压瓶与外貌加磁暴场成椒线性稻比例奴关系翅。一般始由霍尔相元件依、差狸分放笨大、淡射极质跟随两输出票及稳谊压四部剪分组票成，霍尔障线性醋集成线传感嗓器广琴泛用谢于位帜置、霉力、细重量叠、厚端度、筒速度蚊、磁箭场、吐电流拿等的磨测量像或控女制。例霍尔讲位移也传感控器将霍砖尔元嘉件置伪于磁乡丰场中欣，左润半部竟磁场他方向音向上秒，右开半部师磁场斯方向该向下卧，从a端通另人电扣流I，根据夕霍尔春效应畅，左弟半部暖产生真霍尔浪电势VH1，右半伟部产宿生露够尔电渴势VH2，其方屡向相落反。睛因此激，c、d两端查电势抗为VH1—VH2。如果数霍尔铲元件稍在初唯始位姜置时VH1=VH2，则输渠出为插零；应当改润变磁宝极系颤统与咐霍尔候元件虽的相贿对位物置时茄，即故可得馒到输渗出电默压，绵其大烈小正