（电磁场与微波技术专业论文）基于霍尔元件在电磁学实验中的设计.pdf

摘要 摘要 自1 8 7 9 年霍尔在研究金属导电结构时发现霍尔效应以来，霍尔效应已经成 为研究半导体材料导电性能和磁流体发电的理论基础。近年来，由于新型半导体 材料和低维物理学的发展，使得人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展， 而且伴随着霍尔效应而产生的各种霍尔元件在自动检测、自动控制和信息技术领 域中得到广泛应用，由于霍尔元器件具有精度高、线性度好、温度漂移小、输入 与输出之间高度隔离等优点，已经成为目前使用最广泛的磁传感器之一。本文基 于霍尔传感器，从测量位移方面开展了以下几个方面的工作： ( 1 ) 介绍了霍尔效应的基本原理，阐述了霍尔元件的基本概念和基本类型， 重点论述了以霍尔元件为核心的最新霍尔传感器的设计技术及原理，为后续研究 工作奠定基础。 ( 2 ) 基于霍尔元件测量微位移的基本电路设计：由于霍尔元件的输出电压 与磁感应强度和控制电流的乘积成线性关系，当磁场为均匀梯度磁场且控制电流 恒定时，输出的霍尔电压值与该磁场中的位移成正比，因而可以进行微距离的测 量。 ( 3 ) 霍尔元件用于经典电磁学实验项目中的位移测量：根据霍尔元件用于 微位移测量的基本原理，将霍尔元件用于杨氏模量的测量实验，完成了杨氏模量 实验仪器的改装，实验结果表明改进方法的正确性和有效性。 ( 4 ) 基于霍尔传感器用于较大范围的位移精确测量的设计：由于传统霍尔 传感器只能用于微位移的测量，但是采用随动机构来带动霍尔传感器跟踪被测体 的位移，可以大大扩大位移的测量的范围，且不需要在测量中保持均匀梯度磁场。 本文给出了随动机构的测量原理，系统的实现方法，实验结果，构建了数学模型， 并对误差进行了分析，其设计思想不仅更好地反映了霍尔效应的本质，且对其它 位移传感器有同样的借鉴作用。 关键词：霍尔效应、霍尔元件、霍尔传感器，位移测量 a b s t r a c t a bs t r a c t h a l le f f e c th a sb e e nt h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h e s t u d yo nt h e c o n d u c t i v e p r o p e r t i e so fs e m i c o n d u c t o ra n dt h em h dp o w e rg e n e r a t i o n ，s i n c ei tw a sf o u n db y h a l lw h e nd o i n gar e s e a r c ho nt h em e t a lc o n d u c t i v es 缸u c t i l r ei n18 7 9 w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h el o w d i m e n s i o n a lp h y s i c sa n dn e ws e m i c o n d u c t i n gm a t e r i a l s ， s t u d yo fh a l le 能c th a sb e e nr a p i d l yp r o g r e s s e di nr e c e n ty e a r s f u r t h e r m o r e a v 撕e t yo fh a l le l e m e n t sb a s e do nh a l le f f e c ta r ew i d e l yu s e di n t h ef i e l d so f a u t o - d e t e c t i o n ，a u t o c o n t r o l l i n ga n dt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y h a l ls e n s o rb a s e do n h a l le l e m e n t sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tm a g n e t i cs e n s o r so w i n gt oi t sh i g h i s o l a t i o nb e t w e e ni n p u ta n do u t p u t ，s m a l ld r i f tt e m p e r a t u r e ，g o o dl i n e a r i t y , a n dh i 曲 a c c u r a c y f o c u s i n go nt h em e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n tb a s e do nh a l ls e n s o r , t h e m a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ei ni n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i sp r i n c i p l eo fh a l le f f e c ti si n t r o d u c e d ，a n dt h ef u n d a m e n t a lc o n c e p t a n dt y p eo fh a l le l e m e n t sa r ed e s c r i b e d ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g n i n gt e c h n i q u e sa n d p r i n c i p l e so ft h el a t e s th a l ls e n s o r sa r ee l a b o r a t e db a s e do nh a l le l e m e n t s ，w h i c hl a y s a g o o df o u n d a t i o nf o rt h ef o r t h c o m i n gw o r k ( 2 ) t h eb a s i ce l e c t r i cc i r c u i t i s d e s i g n e db a s e d o nh a l le l e m e n tf o rt h e m i c r o d i s t a n c em e a s u r e m e n t ：t h eo u t p u th a l lv o l t a g er e l a t e so n l yt ot h ed i s p l a c e m e n t i nt h em a g n e t i cf i e l dw h e nc o n t r o lo fe l e c t r i cc u r r e n ti sc o n s t a n ta n dt h eg r a d i e n to f m a g n e t i ci su n i f o r m ，b e c a u s et h eo u t p u tv o l t a g eh a sal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h e m u l t i p l i c a t i o np r o d u c tb e t w e e nt h em a g n e t i cf l u xa n dt h ec o n t r o lo fe l e c t r i cc u r r e n t ， t h u s ，i tc a nm e a s u r et h em i c r o d i s t a n c e ( 3 ) t h eh a l le l e m e n t i su s e di nc l a s s i ce l e c t r o m a g n e t i ce x p e r i m e n t sf o r d i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t ：w eh a v ei m p r o v e di n s t r u m e n ti ny a n g sm o d u l u s e x p e r i m e n tb ye m p l o y i n gt h eh a l le l e m e n t si ny a n g sm o d u l u se x p e r i m e n ta c c o r d i n g t of u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fm i c r o d i s t a n c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt o d e m o n s t r a t et h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d ( 4 ) t h eh a l ls e n s o ri sa p p l i e dt ot h el a r g e - s c o p ep r e c i s em e a s u r e m e n to f i i 摘要 d i s p l a c e m e n t ：t h eh a l ls e n s o rc a no n l ym e a s u r et h em i c r o - d i s t a n c ed i s p l a c e m e n tb y t r a d i t i o n a lm e t h o d ，h o w e v e lw ee n l a r g et h es c o p eo f t h em e a s u r e m e n to f d i s p l a c e m e n tb yt r a c k i n gd i s p l a c e m e n to fm e a s u r e do b j e c t s w i t ht h ed y n a m i c s t r u c t u r et od r i v eh a l ls e n s o r s ，w h i c hn e e d n t t o k e e pu n i f o r mg r a d i e n to ft h e m a g n e t i cf i e l d t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e dt h em e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo ft h ed y n a m i c s t r u c t u r e ，t h es c h e m eo fs y s t e ma n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t w h a t sm o r e ， m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gw a se s t a b l i s h e da n dt h ee x p e r i m e n te r r o rw a sa n a l y z e d t h e s e d e s i g n i n gi d e a sn o to n l yw e l lr e f l e c t e dt h en a t u r eo fh a l le f f e c tb u ta l s om a d ea p o s i t i v ei m p a c to nt h eo t h e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r s k e yw o r d s ：h a l le f f e c t ，h a l le l e m e n t ，h a l ls e n s o ld i s p l a c e m e n t m e a s u r e m e n t i i i 第一章引言 第一章引言 1 1 选题的背景及意义 霍尔效应是一种磁电效应，最早发现这一现象是美国2 4 岁的研究生霍尔 ( a h h a l l ，1 8 5 5 - - 1 9 3 8 ) ，他于1 8 7 9 年在美国霍普金斯大学研究生期间，研究 关于载流导体在磁场中的受力时发现的，后来发现半导体材料、导电流体等也有 这种效应，且比金属霍尔效应要强得多，因此霍尔效应就成了研究半导体材料性 能的基本方法。随着物理学的发展和科学技术的进步，在新的实验条件下这一效 应又得到了新的发展，从霍尔效应到整数量子霍尔效应，再到分数量子霍尔效应， 都取得了令人瞩目的成就：1 9 8 5 、1 9 9 8 两届诺贝尔物理学奖分别授予了因在整数 量子霍尔效应和分数量子霍尔效应方面，作出的杰出贡献的德国物理学家克利青 ( k v k 1 i t z i n g ) ；美籍华裔物理学家崔琦、美国物理学家劳克林( r b l a u g h l i n ) 和美籍德裔物理学家施特默( h l s t o r m e r ) 等人，这一领域也因两次诺贝尔物理 学奖的获得，而引起了人们更广泛的关注和极大的兴趣n 1 。 伴随着霍尔效应而产生的各种霍尔元件，近年来也在自动检测、自动控制和 信息技术领域中得到迅猛发展，由于霍尔元器件具有精度高、线性度好、温度漂 移小、输入与输出之间高度隔离等优点，引起了许多科技人员的广泛关注，人们 不但想了解最新的霍尔效应发展的前沿，也希望了解霍尔效应的应用知识和实用 技术，这一领域越来越展现了其发展的勃勃生机。然而与其发展不相适应的是： 在我国高校的相关教材中有关霍尔效应知识内容却很少，如此意义深远的实用技 术的应用，也在教材中基本没有提及，在基础物理电磁学实验中，也只有利用霍 尔效应原理测量螺线管磁场的实验心1 ，且相关内容和资料介绍都很少，所有的这 一切都反映了我们的教学内容陈旧老套以及严重的滞后性，与现代社会发展进程 严重脱节，而如何把这一反映现代社会进步的内容引入到电磁学实验教学中来， 并让学生对其有更多的了解和思考，为此我们以霍尔元件位移的测量为突破口， 将这部分内容引入到电磁学实验项目中来，并在此基础上展开深入的研究和探 讨。 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 霍尔元件在位移的测量方面，应该是一个比较年轻的面孔，其测量位移的诸 多优点如惯性小，反应速度快、精度高，无接触、能免除摩擦以及机械故障，并 能提高工作的可靠性延长工作寿命等等，其领域有着巨大的发展前景和应用价值 同时以测量微位移为基础，就可以测量其它许多与微位移有关的非电量，如力、 压力、应变、机械振动、加速度等，因此在电量非电量转换过程中也有着重要的 意义口1 。 基于这样的背景，在霍尔元件测位移方面：通过设计霍尔元件对位移的测量， 让学生了解掌握霍尔元件在测量位移方面的原理内容，并将霍尔元件引入到电磁 学实验项目中，提高实验内容的综合性，训练学生实验技能、提高学生提出问题、 分析问题和解决问题的力，开发学生智力、特别是对其实验内容、方法、技术方 面的研究和拓展，对训练学生实验技能、开发学生智力、培养学生的创新精神、 提高学生的科研能力等方面都能起到了重要的作用。同时针对霍尔元件测量位移 存在的问题的深入研究，在实际的工程应用方面有着重要的现实意义，随着生产 的不断发展，对位移测量提出了更高的要求，其范围小的缺点限制了在一些实际 中的应用，若能解决其大范围测量的要求，就能使霍尔元件在实际的工程应用中 发挥更大的作用，同时其实验测量系统的设计思想理念对于扩大其它位移传感器 的测量范围也有着重要的指导意义。 1 2 本文研究的主要内容 本学位论文以物理学中霍尔效应的内容为基础，在霍尔元件中的位移测量方 面，结合了电子技术、传感器技术以及其它专业的知识背景，进行了相关问题的 研究，共分为以下几个部分：引言部分简介了我们选题的背景和意义。第二章首 先介绍了霍尔效应的相关内容及其发展历程，其中详细地论述了霍尔效应的原理 和它的理论依据。在第三章中论述了霍尔元件相关内容以及霍尔元件最新的进 展，在霍尔元件的相关内容中主要有：霍尔元件常用的参数和霍尔元件的零位误 差及其补偿论述；在霍尔元件的研究和进展中，主要从：一是霍尔元件材料的研 究和进展，二是霍尔元件结构的研究和进展两个方面，分析和介绍了国内外的最 2 第一章引言 新研究进展。第四章介绍了霍尔传感器的最新动态。重点是目前国际最先进的霍 尔效应传感器采用的设计技术及原理，包括斩波动态失调消除技术、时钟控制微 功耗技术、可编程技术。第五章霍尔元件在电磁学实验中的设计及应用，从测位 移方面进行了如下的探讨：一、位移测量的电路设计，二、用于经典电磁学实验 项目中的位移测量，三、用于较大范围的位移精确测量的设计，其中重点论述了 用于较大范围的位移精确测量的设计，主要解决了以下问题：霍尔元件通常用来 进行微位移的测量，通常磁场只能在很小的范围内保持均匀梯度，这在很大程度 上限制了霍尔元件测量位移的应用。若能设计一种系统使其在简单磁场的条件 下，能进行较大范围位移的测量，且能满足一定的精度要求，为此我们设计了自 动跟随系统，通过自动跟随系统带动霍尔元件跟随测量移动物体的位置移动，来 进行较大范围内的位移测量，于是便能在较大程度上增加了测量的移动范围，克 服了霍尔元件只能在较小范围内( 通常在2 m m 范围内) 进行精确测量的缺点。于 是霍尔元件具有惯性小、非接触的优点将使它在各种位移与振动的测量中发挥具 大的优势，其解决问题的思想和设计方法不仅更好地反映了霍尔效应的实质，且 对其他位移传感器有同样的借鉴作用。第六章总结一对本文工作做了总体的概括， 指出了存在的问题和解决问题的方向。 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 第二章霍尔效应 2 1 霍尔效应 霍尔效应的本质是运动的带电粒子( 电子或空穴) ，在磁场中受洛仑兹力作 用而引起的偏转，这种偏转就导致两侧面上的聚积了不同的正负电荷，从而形成 附加的横向电场，即霍尔电场( 或霍尔电压) ，流体中的霍尔效应还是研究“磁 流体发电”的理论基础。 2 2 霍尔效应的基本原理 霍尔效应的基本原理如图2 1 所示：将一块长为l 宽为b 厚为d 矩形半导体 或导体材料，沿x 轴方向通一工作电流i ，z 轴方向加一磁场雪，则在y 轴方向 就会产生一电动势，即称为霍尔电压。 ( b ) 图2 - 1 霍尔效应原理图 霍尔电压的大小与电流强度i 磁感应强度b 的乘积成正比，与板的厚度d 成反比，即 ：r h 了i b d 4 ( 2 1 ) 第二章霍尔效应 或 = k n i b ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 中称为霍尔系数，式( 2 2 ) 中k 称为霍尔元件的灵敏度，单位为 m v i m a t ) 。霍尔效应产生的原因是因为带电粒子即载流子( n 型、p 型半导 体材料中的载流子分别是带负电荷的电子和带正电荷的空穴) 作定向运动时，在 磁场中将受到的洛仑兹力作用而发生偏转。如图2 - 1 ( a ) 所示，为一n 型单晶 薄片，其电子( 载流子) 则所受到的洛仑兹力为：( 磁场b 沿z 轴正方向，电流 i 沿x 轴正方向) l 2 q vxb = 口y b = 一e v b j ( 2 3 ) ( 2 3 ) 式中的y 为电子的漂移运动的速度，方向沿着x 轴的负方向。为所受 的洛仑兹力，指向y 轴的负方向，e 为电子的电荷量，自由电子在受到洛仑兹力 作用下发生偏转，a 侧面上积聚电子，b 侧面就会有等同数量的正电荷，形成了 一个沿l ，轴负方向上横向的霍尔电场e h ，a 、b 面之间产生一霍尔电压为，则 电子在霍尔电场中所受电场力的大小为： 丘= 成= 一画= p j = e 鼍- 3 ( 2 4 ) 此力将会阻碍电荷的积聚，最后达到稳定的状态时有 尹m + 亏t = 0 一p 旧+ p 等 p 馏：p 堕 即 b 得 = v b b ( 2 5 ) 此时b 端电位高于a 端电位。 若n 型单晶中的电子浓度为n ，则流过样片横截面的电流 i = n e b d v 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 得 将( 2 6 ) 式代入( 2 5 ) 式得 y ：上 n e b d ( 2 6 ) = 击侣= r h 了i b = k s i b ( 2 7 ) 式中霍尔系数又可表示为= 二，和电子的浓度和电荷量有关，它表示材料产 生霍尔效应的本领大小；k 日= 为霍尔元件的灵敏度，和电子浓度、电荷量 以及霍尔元件的尺寸有关，这是描述霍尔元件一个非常重要的参数，它表示在单 位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的输出大小。通常情况下值是愈 大愈好，能够获得较大的霍尔电压，半导体材料的k 比金属要大得多，这就 是霍尔元件通常采用半导体材料制作的原因。同时k 又和样品的厚度d 成反比 例，通常情况下d 越4 、b 值越大，所以霍尔片一般都切的很薄以获得较高的灵 敏度。 以上讨论的是n 型半导体样品产生的霍尔效应情况，侧面b 电位比a 的电位 要高；若是p 型半导体材料的样品，则刚好与n 型半导体的情况相反，由于形成 电流的载流子是带正电荷的空穴，a 侧面电位就会比b 侧面高。如图2 1 ( b ) 所示，因此要判断出是p 半导体材料还是n 半导体材料，可由根据a 、b 两端电 位的高低，输出的霍尔电压的正负进行判断。 6 第三章霍尔元件 第三章霍尔元件 3 1 霍尔元件相关的概念 霍尔元件一般来讲是根据霍尔效应原理制成的半导体器件，常用的几种外形 如图3 1 ，一般由霍尔片、四根引线和壳体组成，其中霍尔元件的壳体是由非导 磁金属一陶瓷或环氧树脂等封装制成，目前最常见的材料有锗g e 、硅s i 、锑化 铟i n s b 、砷化镓i n a s 等，霍尔元件常用的符号也如图3 1 所示。 瑚t 蘑 图3 - 1 霍尔元件外形及符号 霍尔原器件有着其它器件不可比拟的优点：结构牢固，重量轻，体积小，寿 命长，安装方便，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀，输入 输出高度隔离等。按照霍尔原器件的功能可以将它们划分为：霍尔线性器件和霍 尔丌关器件“。按被检测的对象的性质则又可将它们的应用分为：直接应用和间 接应用。直接应用方面是可以根据霍尔电势与磁场的关系，直接检测出受检测对 象本身的磁场或磁特性，更多的应用是间接应用方面，以磁场为工作媒体，将物 体的多种参量例如力、位移、速度、加速度、角度、转数、转速以及工作状态发 生变化的时问等，转变为电量来进行检测，因而在自动控制及对各种物理量的测 量中都得到了大量的应用，己成为使用最广泛的磁敏传感器，被广泛用于精密测 量、汽车电子、工业自动化控制、家用电器等领域。 3 1 1 霍尔元件常用的参数 霍尔系数( 又称霍尔常数) r 。：它表示材料产生霍尔效应的本领的大小， 11 r = 二( 或二) 故可以通过测定霍尔系数来确定半导体材料的载流子浓度n 由申 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 ( 或p ) ( n 和p 分别为电子浓度和空穴浓度) 。严格地说，在半导体中载流子的 漂移运动速度并不完全相同，考虑到载流子速度的统计分布，并认为多数载流子 的浓度与迁移率之积远大于少数载流子的浓度与迁移率之积，可得半导体霍尔系 数的公式中还应引入一个霍尔因子，即t i e pern ，普通物理实验中常用 = 卫( 或卫) n 型硅s i 、p 型锗。s i 、g e 、i n s b 和i n a s 等半导体材料的霍尔元件在室温下 测量，霍尔因子白2 言万l 1 8 ，所以 = 詈去 慨， 式中，p = 1 6 0 2 x 1 0 1 9 库仑。在磁场不太强时，霍尔电势差与激励电流i 和磁感应强度b 的乘积成正比，与霍尔片的厚度d 成反比， 即：- 鲁- i b ( 3 2 ) 霍尔灵敏度k ( 又称霍尔乘积灵敏度) ：霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与 霍尔片的厚度d 成反比，即k h = r 。d ，它通常表征霍尔常数 b = 争= 去， ( 3 3 ) 据此式霍尔元件的灵敏度就可以通过实验被测出。 霍尔元件电阻温度系数：在不施加任何磁场的条件下，环境温度每变化l o c 时电阻的相对变化率。 霍尔输出电压：输出端测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。 霍尔电压输出比率：霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率。 霍尔不等位电势( 又称霍尔偏移零点) ：霍尔激励电流为零的情况下，在输出 端空载时所测得的霍尔电势差的大小称为不等位电势。 霍尔不等位电势变化：在没有外加磁场和霍尔激励电流为i 的情况下，环境 温度每变化i c 时，等位电势的相对变化率。 霍尔输入电阻：霍尔激励电极间的电阻称为输入电阻。 霍尔输出电阻：霍尔输出电极问电阻称为输出电阻。 第三章霍尔元件 3 1 2 霍尔元件尺寸的确定 霍尔电势的大小与材料的几何形状和尺寸的大小有关，通常情况下霍尔元件 的灵敏度k 是越大越好，霍尔元件的灵敏度与厚度d 成反比，一般来说霍尔 元件的厚度越薄，灵敏度就会越高，但元件减薄后其输出和输入阻抗和元件的功 耗都会变得很大，不利于器件的工作。所以霍尔元件d 值的选取，要有一定的要 求。霍尔元件的宽度问题，一般b 增大，( 宽度的倒数( 1 b ) 减小) 时，则引起 载流子在偏转过程中的损失，就要对霍尔电势进行修正： = r h l b i b f ( 1 b ) ( 3 4 ) 3 4 式中f ( 1 b ) 为形状效应系数，修正值如3 1 表所示： 表3 - 1 ：1 b 减小时的修正值 1 b 0 51 01 52 02 53 04 0 f ( 1 b ) 0 3 70 6 7 5o 8 4 10 9 2 30 9 6 70 9 8 40 9 9 6 从上表中可以看出，宽度的倒数1 b 大于3 时，其形状效应系数f ( 1 b ) 趋近l ，故在 实际设计霍尔原件时，要考虑到加工的难易程度和机械强度等问题，考虑电流控 制极的短路效应，长宽比有一合适的比例，一般取1 b 的比例为2 2 5 ，国产霍 尔片尺寸1 = 4 o m m ：b = 2 o m m ；d = o 1 m m ，也是很多的实验中和实际应用中常选用的 霍尔片的尺寸大小。 3 1 3 霍尔元件材料的确定 霍尔元件是霍尔传感器的核心敏感部件，其选取依据：由于材料的电阻率p 与载流子的浓度n s h 迁移率u 有关，即 p ：上 ( 3 5 )= l0 0j n , u q p ：生 ( 3 6 ) = p u 霍尔系数反映了材料输出的的大小，若要得到较大的，要求p 9 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 和u 都要大。金属材料的u 都很大，但n 很高，p 就很小，k 也就很小，输出的 也就较小，就不适宜用作霍尔元件，如金属c u 的n = 8 4 7 1 0 鞠e m 3 ，而= 0 5 1 0 1 0 2 m c 左右；绝缘体的p 很高，但n 很低，霍尔系数k 也很小，所以霍尔元 件比较理想的的材料只有半导体材料畸1 。 表3 2 为常用的一些半导体材料及其性能参数 表3 2 ：为制作霍尔元件的半导体参数( 温度：3 0 0 k ) 材料禁带宽度e g电阻率p电阻迁移u 霍尔系数 ( 单晶)( e v )( q c m )( c i i l 3 v s ) ( c m 3 c ) 硅s i0 6 6l3 5 0 04 2 5 0 锗g e 1 1 0 71 51 5 0 02 2 5 0 锑化铟i n s b 0 1 70 0 0 56 0 0 0 03 5 0 砷化铟i n a s 0 3 60 0 0 3 52 5 0 0 0 1 0 0 砷化镓g a a s1 4 7 0 2 8 5 0 0 1 7 0 0 表中可见硅s i 材料：负载能力较差，电子迁移率较低，但线性度较好，其霍尔系 数、温度性能同n 型锗相差不大，通常不用作单个霍尔元件：锗g e 材料：锗 材料的迁移率u 值最小，但其霍尔系数= p a 的值不小，常用作霍尔元件的材 料，且其温度的性能和线性度都较好；锑化铟砌勋材料：锑化铟砌肋材料所具 有的i i 值为半导体材料中最大的，温度性能不如上锗g e ，但从其性能上看其本 征激发强，禁带宽度小；砷化铟l n a s 材料：砷化铟i n a s 材料的霍尔系数= 俐 和温度系数都很小：砷化稼g a a s 材料：砷化稼g a a s 的灵敏度比锑化铟l n s b 低， 但温度特性好，线性度好，且能在较宽的温度范围内工作，但美中不足其价格比 较昂贵瞄1 。因此霍尔元件材料的选取，可根据表中所列半导体参数，考虑各方面 的因素，根据不同需要有目的进行选择。 1 0 第三章霍尔元件 3 2 霍尔元件的误差及其补偿 霍尔元件在使用过程中，由于制造工艺、元件的安装、环境温度的变化等方 面存在的问题，都会给霍尔元件性能带来各种各样的影响，影响霍尔元件的转换 精度，给测量结果带来误差。 3 2 1 霍尔元件的零位误差及其补偿 1 不等位电势对霍尔元件的影响 制造工艺上由于不能够保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使 两电极点不能完全位于同一等位面上而带来的影响，从而使霍尔元件产生了不等 位电势k ，k 产生的原因，如图3 2 a 所示： 图3 2 不等位电势 c 又因控制电流极接触的不良好、霍尔片厚薄、电阻率的不均匀，都会导致两霍尔 电极不在同一个等位面上，而产生不等位电势，如图3 2 b 所示。 2 消除不等位电势影响的补偿电路 可用不等位电阻来表示不等位电动势，可以从分析电阻的来考虑不等位电势 的补偿方法。由于霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图3 - 3 a 所示，可采取在某 一桥臂并上一定的电阻的方法，将k 降到最小一致趋近于0 。图3 3 b 中给出的对 称补偿和不对称补偿电路中的，几种常用的不等位电动势的补偿电路，可以看出 不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性能好。 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 a ) 霍尔元件等效电路 b ) 几种不等位电动势曲补偿电毒 图3 3 霍尔元件等效电路和不等位电动势补偿电路 通常情况下要求k 1 m v ，所以实际上常常是通过测试偏离等位面的方向，采 用机械修磨或用化学腐蚀元件的方法来减少零位电势的影响瞄1 。 3 2 2 霍尔元件的温度误差及其补偿 霍尔元件的参数特性将会受到温度的影响，因为霍尔元件基片的载流子迁移 率、电阻率p ，都是温度的函数t ( ，p ) 。 如图3 4 所示为：四种材料的霍尔元件的内阻与温度的关系曲线，图中看到 攀伪 锄。细 栩棚 l 舶l 阳 m 3 - 4 朱内越与量盘美秉曲缝 砷化铟i n s b 材料的内阻温度系数最小，然后是锗g p 和硅s i 的，温度系数均为正 值( 除了锑化铟砌勋的内阻温度系数为负的之外) 。比较h z ( 锗g p 材料的霍尔 兀件) - - 1 、2 、3 和h z 一4 型元件( 根据霍尔元件命名法：z 锗；t 锑化铟；b 砷化 铟；h z 即为锗材料制成的霍尔元件) 内阻与温度的关系可以看出：h z 一1 、2 、3 三种元件的温度系数在8 0 0 c 左右开始由正变为负值，h z 一4 元件却在1 2 0 0 c 左右 才开始由正值变为负值。锗g e 材料的电阻率越低，温度系数的转折点就越高， h z 岫4 元件的电阻率较低，其转折点就比h z 一1 、2 、3 要高。 可采用适当的方法进行补偿，以消除温度干扰误差的影响。图3 5 所示，为 桥路补偿的一种方法，在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥，该电桥的四个 臂均为等值的锰铜电阻，同时霍尔元件的不等位电势可以用调节尺p 的方法进行 补偿调节，r ：擒；并联一个热敏电阻r x ，当温度发生改变时，补偿电桥的输出电压 就会由于热敏电阻r x 的变化跟着做相应的改变，调整补偿电桥的温度系数，就能 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 c 、d 两点所得到的霍尔电势就能做到与温度基本无关，来达到消除温度影响的目 的。 【u 图3 5 温度补偿电路最理图 3 3 霍尔元件的研究和进展 3 3 1 霍尔元件材料的研究和进展 功能材料应该是传感器发展的基础，霍尔元件也不例外，随着科学的发展与 进步，新功能材料的开发和成功应用，对霍尔传感器传感器产品的研制和改进产 生了巨大的推进作用。霍尔传感器中的霍尔元件即要有高的灵敏度、大的功率、 高的效率，还要具有高的霍尔迁移率和电阻率，宽的温度范围，良好的磁场线性 度。第二章中给出了霍尔元件通常使用的材料有硅s i 、锗g e 、锑化铟i n s b 、砷 化铟l n a s 、砷化镓g a a s 等一些半导体材料的参数性能，这些常用材料电子迁移 率高，有很高的灵敏度，但有的禁带宽度小，温度稳定性差，易于本征激发，通 常无法在高温环境下使用呻1 。 表3 - 3i n s b 和g a a s 霍尔元件性能比较 1 4 第三章霍尔元件 曩尔电压佃两 肉蚴 电蠢籀美天 僵n l t l ll m i 蠢度羹度熏 产晶名公玛材搴喜 敦 融 翱瞅m 弧m 甑 t 帅 h w 3 0 5 8 嗣 i鼢l 弘 签2 的l 鞠i j t 凇l 垮刀嚣躅溺a “l l i 嚣瑚9 螂 砷化镓g a a s 锑化铟的i n s b 都是一种使用广泛的霍尔元件，表3 3 给出了这 两种成熟的砷化铟i n s b 和砷化镓g a a s 霍尔元件产品的性能比较，可以看出砷化 镓g a a s 灵敏度0 0 6 。c 比锑化铟的i n s b l 8 。c 要低，其温度性能、场线性度 都是比较好的，且能够在比较宽的温度范围内工作，锑化铟i n s b 和砷化镓g a a s 霍尔元件输出特性见图3 6 。 1 ( 3 0 2 0 0 3 0 04 0 05 0 0 【a ) i n s b 霍尔元件的输出特性 图3 - 6 霍尔元件的输出特性 半导体技术的蓬勃发展，使得人们越来越青睐那些灵敏度高、性能好的霍尔 元件。s u g i y a m a 等在1 9 8 6 年，制作g a a s a 1 g a a s 异值结构的霍尔元件，其灵敏 度的温度系数为0 7 9 6 。c ，电流相关灵敏度高达1 0 0 0 v a t ，温度稳定性不好。而 采用的g a a s a 1 g a a s 超晶格结构制作的霍尔元件则克服了上述缺点，电流相关灵 敏度高达1 2 0 0 v a t ，同时温度系数为0 1 。c 。然而这种g a a s a 1 g a a s 超晶格 结构制作的霍尔元件迁移率只有5 0 0 0 c m 2 v s 。现在人们又在i i i v 族化合物 g a a s 、i n p 或单晶g e 等衬底上，通过掺杂分子束外延技术，生长了各种化合物半 伯幅伯坦9 8 6 5 4 3 2， 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 导体。具有多层膜或超晶格的结构材料制成的霍尔元件，其温度系数小，霍尔迁 移率高，敏感层厚度极薄为纳米级，且具有高的灵敏度、高的信噪比、高的温度 稳定性、和低的不等位电势口1 。 1 砷化铟i n s b 薄膜霍尔元件 砷化铟i n s b 薄膜是一种i 一族化合物薄膜半导体材料，是目前电子迁移率 最高的一种半导体薄膜，该薄膜材料制作的砷化铟i n s b ，目前是磁敏传感元件中 灵敏度最高的，用量也是目前最大的一种霍尔元件。目前对高性能砷化铟i n s b 薄膜的研究已经成为人们关注的热点，溅射法制备砷化铟i n s b 薄膜，用于制作高 性能的霍尔元件，国内各大院校和科研机构都已开展，如沈阳仪器仪表工艺研究 所、电子工业部、第四十九研究所、吉林大学等，并通过合作研究，在砷化铟i n s b 薄膜工艺技术方面，取得了一些成绩，解决了用铟i n 、砷s b 单质蒸镀工艺，用单 质铟i n 和单质的砷s b ，代替化合物单晶的砷化铟i n s b 薄膜蒸镀工艺技术，同时采 用选择性湿法刻蚀，在磁性和非磁性基底上替代了砷化铟i n s b 单晶蒸镀制作多晶 的工艺技术，提高了成品率。同时解决了传感器生产中硅芯片稳定性问题，硅芯 片灵敏度漂移问题与灵敏度温漂免补偿技术。在此基础上用砷化铟i n s b 薄膜开发 了3 个品种，1 3 个规格的砷化铟i n s b 霍尔元件，同时低应力柔性磨抛技术进行超 氧化膜( 约3 0 0 埃) 去除，和砷化铟i n s b 薄膜减膜技术，高相纯度、高电导率材 料的合成技术，陶瓷、氧化物等化合物的合成技术等关键技术的研究，都取得了 新的进展m 。 砷化铟i n s b 器件的电特性，具有温度特性好，线性度好，灵敏度高，工作性 能稳定的特点，在汽车电子工业，自动化控制，精密测量，通讯技术、计算机技 术、航空航天等工业部门及国防领域被广泛应用。砷化铟i n s b 与硅s i 衬底元件的 典型工作电流为l o m a ，测量低磁场时，其自身工作电流是越低越好。 2 砷化铟i n s b 石* 化镓g a a s 霍尔元件 日本的旭化成( a s a h i ) 电子公司于1 9 9 5 年，采用m b e 方法在半绝缘砷化镓g a a s 衬底上外延生长薄膜砷化铟 n s b ，硅s i 注入浓度为8 o 1 0 1 6 c m 。3 ，膜厚0 5um ， 电子迁移率大于1 0 0 0 0c m 2i v s 。制备出的砷化铟i n s b 砷化镓g a a s 霍尔元件可 1 6 第三章霍尔元件 以满足高温使用需求，在一2 0 0 c 一1 3 0 0 c 时，霍尔电压温度系数为- 0 2 1 ，o c ， 内阻温度系数为0 0 5 1 oc ，其电压相关灵敏度为0 3 3vi v t ，是相同浓度砷 化镓g a a s 的1 5 倍h 1 。中国中科院半导体研究所从1 9 9 7 年5 月到1 9 9 9 年5 月前后两 年多的时间里，分别通过分子束外延技术、光刻技术、先进的封装工艺技术制造 出了高性能的高质量的砷化铟i n s b 砷化镓g a a s 霍尔元件，测出恒流驱动时，灵 敏度系数为0 2 oc ，线性度为2 ，研制这种材料用的分子束外延技术和设备， 也已由研究转入批量生产砸1 。 3 砜5 3 g 口o 4 7 a s ，加尸霍尔元件 r k y b u r z 等人在1 9 9 4 年，报导了他们研制出的砜_ 5 3 g a 0 4 7 a sii n p 霍尔元件， 采用的是低压金属有机物气相外延技术，在i n p 衬底上，f e 掺杂浓度为 5 x 1 0 1 6 c m ，n 槲2 0 0 n m ，生长i n p 和砜5 3 g a o 4 7 a s 。表3 4 给出了有源层 蓑3 _ 辱零绡i 摄毛敏豳奢心在苓良掺魏豢停下霍象元锋的牲藐 样双参杂旅蓐瘦迁移宰 龟蠢相关 誓度蒸 电压格美蹙奎荀裣鞠 灵簟度 蠢 蠢 度a 曲 l 蛳) 嘲y v 辩 灵敏度磁精 n _ nf 鬈再a a1 1 - l o 7 i 嗽奢硼i棒晶l 颧雄 样矗 ：l i 姚时， 丑3 和l o hl 9 2 酚54 ) 翊1 1 毽x n 飞，阻口ll 嘲j ci i o j ，7 0s a o f l翻电1 3对。l 锨 1 0 5 3 g a o 。，a s i i n p 在不同掺杂浓度下其霍尔元件的性能，显示：其温度稳定性和 线性度的都要比砷化铟i n a s 砷化镓g a a s 好，但灵敏度与砷化铟i n a s 砷化镓g a a s 相近，也具有较高的信噪比，结构要略复杂些。 4 碳化硅s i c 材料制作的霍尔元件 碳化硅s i c 是一种新材料，图3 - 8 是就是采用这种材料制作的霍尔元件，其 有源层为n 掺杂外延层，厚度为2 4 2 m ，掺杂浓度为3 5 x 1 0 b c m ， 材料生长 1 7 基于霍尔元件在电磁学实验中的设计 采用a p c v d 的方法很适合作高温霍尔器件，有着很高的热传导率，很宽的禁带 宽度( 3 2 6 e v ) ，以及较高的饱和速度( 2 2 x 1 0 7 ) 。 m 一她姒州 一w 一- t 撕蹴 冈1 1 1 “m 。 - _ _ - _ 口触引一 图3 _ 7 | l 肾sic 雹尔元件及其电极接慧的结构 5 具有二维电子气的霍尔元件 将i i i v 族化合物掺杂并分层次地生长，采用m b e 、m o c v d 、v p e 等方法，得 到调制掺杂异质结或者超晶格系统材料，且能够依靠高迁移率的二维电子气体进 行导电。 s u g i y a m a ，1 9 9 2 年报导了赝晶i n a l a s 工n g a a s i n p 异质结构制作出的霍尔 元器件，图3 - 8 a 所示i n p 衬底上生长的i n g a a s 一2 d e g 霍尔元件，当x ：o 8 ，y = l o n m 时，沟道层迁移率最大。在室温下，电压相关灵敏度为0 9 8 v a t ，约是砷化镓 g a a s 霍尔元件的4 倍，电子迁移率也达到1 6 0 0 0 c m 2 y s ，均高于前面提到的几 种霍尔元器件。电流相关灵敏度3 2 0 v a t ，温度系数为- 0 0 3 5 ，oc ，比砷化镓 g a a s 更好，可以检测磁场的大小：磁场频率f = 1 k h z 时，达到6 0 n t ，f = 1 h z 时，达到2 丁阳1 。 v m o s s e r 采用a l g a a s i n g a a s g a a s 异质结构，是在g a a s 衬底上生长 i n g a a s 一2 d g e 制作的霍尔元件，( 图3 8 b ) ，温度系数为0 。0 1 0 0 4 。c ，电流相 第三章霍尔元件 关灵敏度达到1 0 0 0