《常用半导体传感器》PPT课件.ppt

第一节 霍尔传感器,一、霍尔效应 在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场,+ + + + + + + + +,I,UH,B,FL,FE,v,那么,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势UH（霍尔电压）.,d为霍尔元件的厚度,洛伦兹力：FL=- ev B 电荷聚集， UH产生 静电场产生反力： FE=- e EU = - e UH /b 平衡时： FL= FE ， - ev B= - e UH /b UH= bvB I 为控制电流： I= dQ/ dt = b d v n( - e) b v = I / d n( - e) 则： UH= I B / d n( - e) 取 RH= 1 / n( - e) 霍尔常数, 由半导体材料决定 则： UH= RH I B/ d 取 KH= RH / d 则： UH= KH I B,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果： UH=KHIB,b为霍尔元件 的宽度,n为单位体积内自由电子数,UH = KH I B 霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积。KH称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数 当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变,二、灵敏度 1）材料电阻与载流子浓度n和其迁移率相关， RH = (,) (RH= 1 / n( - e) 2）KH= RH / d ，则d要小，霍尔片要薄（1m） 3）霍尔片长边/短边4，输出不受影响（一般长边/短边=2, 短边通以电流，长边输出UH ） 建立霍尔效应的时间很短：10-2 10-14 控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）,接触要求：欧姆接触（无PN结） 老式：焊接 新方法：离子注入工艺 溅射工艺 霍尔元件外形及结构： 尺寸：4mm 2mm 0.1mm,1,3,2,4,由于建立霍尔效应的时间很短，因此控制电流用交流时，频率 可以很高（几千兆赫）,在磁场作用下，负载上有电压输出。 实际使用时,以I或B,或同时作为输入信号，而输出信号则正比于I或B,或两者的乘积。,三、基本电路 控制电流由E供给 RP为调节电阻 Rf为负载电阻,四、电磁特性 1）HI特性：UH = KH I B 在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势UH与控制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用KI表示。,KI = KH B UH = KI I （线性） KH KI KI 、 I UH ,S/L0.1,六、材料及结构特点,一般采用以下半导体单晶材料制成： N型锗、砷化铟、锑化铟,输出大 受温度影响大,输出小 温度和线形度较好,线形度好 受温度影响比锑化铟小 输出没有锑化铟大,敏感 元件,一般 测量,七、误差分析及误差补偿方法 ） 元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能 的影响,fH(L/l)为元件的 形状系数,当L/l2 时,形状系数fH(L/l)接近于1 实际上,取L/l=2,b) 霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响 当S/L0.1时,电极宽度的影响才可以忽略不记.,a),2） 不等位电动势及其补偿 主要零位误差，制作时不能保证将霍尔电动 势极焊在同一等位面上.,3） 寄生直流电动势 a） 非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动势极上的整流效应 b） 电动势极的的焊点不一致,两焊点的热容量不一致产生温差寄生直流电动势,自身补偿法,4） 感应电动势 在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附加感应电动势,其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值,并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比,a 合理布线：在磁路气隙中安置一辅助霍尔元件(特性相同) b 自身补偿法,5） 温度误差补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的内阻、霍尔电动势也将随温度变化,a 选用温差系数小的元件（砷化铟） b 恒流供电：减少元件内阻随温度变化引起的控制电流变化。 c 其它温度补偿法,八、霍尔传感器的特点： 霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然其转换效率低，温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化 九、应用 1、功能可分为： 霍尔线性器件（输出模拟量） 霍尔开关器件（输出数字量）,2）按被检测的对象的性质可分为： 直接应用：直接检测出受检测对象本身 的磁场或磁特性（高斯计） 间接应用：检测受检对象上人为设置的 磁场，用这个磁场来作被检 测的信息的载体，通过它将 许多非电、非磁的物理量例 如力、位