半导体传感器.ppt

1、第3章半导体传感器、感磁式传感器按其结构可分为体型和接合型2种，前者有霍尔传感器，其材料主要有InSbInAs、Ge、Si、GaAs等和感磁电阻(InSb、InAs )，后者有感磁二极管(Ge、Si )、感磁晶体管磁敏传感器的应用范围分为模拟用途和数字用途。 例如，用霍尔传感器测量磁场强度，用感磁电阻、感磁二极管制作非接触式开关等。 3.1.1霍尔传感器、霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的传感器，包括普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测量磁型和开关式霍尔元件。 霍尔传感器因其灵敏度高、线性好、稳定性高、体积小、耐高温等特点而被应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领

2、域。 3.1感磁式传感器、1霍尔效应长度为l、宽度为b、厚度为d的导体(或半导体)片被放置在磁感应强度为b的磁场中(平面与磁场垂直)，当在与磁场方向正交的两边通过控制电流I时，在导体的另一边产生与控制电流I和磁感应强度b的乘积成比例大小的电位um 第二工作原理霍尔效应是由半导体中的自由电荷受到洛伦兹力引起的。 霍尔元件为n型半导体，流过电流I后，半导体中的电子受到磁场中洛伦兹力FL的作用，其大小为式中电子速度，b为与霍尔元件表面垂直的磁感应强度。 由于FL，电子向与b和垂直的方向偏移，在装置的一端蓄积负电荷，在另一端面蓄积正电荷。 电荷的蓄积产生静电场，即空穴电场。 该静电场对电子的作用力是F

3、E和洛伦兹力的方向相反，阻止电子的偏转。 其大小在式中，EH是霍尔电场，e是电子电量，UH是霍尔电位。 FL=FE时，电子的蓄积达到动平衡。 设霍尔元件中流过的电流为I，则式中，bd为与电流方向垂直的截面积，n为每单位体积的自由电子数(载流子浓度)。 于是，KH成为霍尔元件的灵敏度。 由以上讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。 一般来说，霍尔元件的灵敏度越大越要求越好，从霍尔元件的灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。 RH被定义为霍尔传感器的霍尔系数。 由于金属导体内的载气浓度比半导体内的载气浓度大，因此半导体空穴系数比导体大。 第二

4、，霍尔元件的主要技术残奥仪表1额定消耗功率P0霍尔元件在环境温度T25时，将通过霍尔元件的控制电流I和工作电压v的积作为额定消耗功率。 一般分为最小、典型、最大3个阶段，单位为mw。 一旦决定了供给霍尔元件的电压，就能够从额定消耗功率得知额定控制电流I。 有些产品提供额定控制电流和电压，不提供额定功耗。 2输入电阻Ri和输出电阻R0 Ri是控制电流流过的电极(简称为控制电极)间的电阻值，R0是霍尔元件的霍尔电位输出电极(简称为霍尔电极)间的电阻值，单位为。 没有磁场B0时，可以用欧姆表等测量。 3不平衡电位U0在额定控制电流I下，不施加磁场时，霍尔电极间的无负载霍尔电位称为不平衡(不等)电位，

5、单位为mV。 不平衡电位与额定控制电流I之比为不平衡电阻r0。 4霍尔电位温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，霍尔电位变化的百分率称为霍尔电位温度系数，单位为1。 5内阻温度系数霍尔元件在无磁场和工作温度范围内，每当温度变化1时，输入电阻只变化Ri和输出电阻R0的百分率称为内阻温度系数，单位为1。一般取不同温度时的平均值。 6灵敏度KH的定义如上所述。 也有提供无负载时的灵敏度(某控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度)的产品。 三、霍尔元件连接方式和输出电路1的基本测定电路控制电流I由电源e供给，电位器w调节控制电流I的大小。 霍尔元件输出的负载电阻RL、R

6、L可以是放大器的输入电阻或测定器的内部电阻。 霍尔元件必须通过磁场和控制电流来产生霍尔电位UH，因此在测量中，可以将I与b的积、或I、或b作为输入，霍尔元件的输出电位分别与IB、I或b成比例。 为了得到大的空穴输出电位，第二连接方式可以采用几种重叠的连接方式。 下图(a )为直流供电，控制电流端并联输出串联。 下图(b )为交流供电，控制电流端串联变压器的叠加输出。 3霍尔电位的输出电路霍尔元件是4端子元件，本身没有放大器。 霍尔电位是毫伏量，段，实际使用中必须加上差动放大器。 霍尔元件大致分为线性测量和开关状态2种使用方法，因此输出电路如右图所示为2种结构。 直线测量霍尔元件时，优选灵敏度低

7、、不平衡电位U0小、稳定性和直线性优异的霍尔元件。 例如，若将KH5mV/mAkGs、控制电流5mA霍尔元件作为线性测定元件来测定1Gs10kGs的磁场，则霍尔元件的最低输出电位UH为UH5mV/mAkGs5mA10-3kGs25V的最大输出电位为uh5mv/makgs5ma10k 例如，KH20mV/mAkGs如果控制电流为2mA、施加300Gs的磁场，则在输出霍尔电位为UH20mV/mAkGs2mA300G s120mV时，选择通常的放大器即可。 四、霍尔元件的测量误差和补偿方法霍尔元件在实际应用中，有多种因素影响其测量精度，引起测量误差的主要因素有两种：一种是半导体固有特性，另一种是半导

8、体制造工艺的缺陷。 表现零位误差和温度引起的误差。 1零位误差和补偿方法零位误差将霍尔元件不施加外部磁场而施加控制电流时产生的霍尔电位称为零位误差。 不平衡电位U0是主要的零误差。 这是因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面。 如下图(a )所示。 如果流过控制电流I，则即使最终施加外部磁场，a、b两电极此时也存在电位差，将该电位差称为不等电位(不平衡电位) U0。 下图显示了一些常见的补偿方法。 为了消除不等位电位，在电阻值大的臂上并联连接电阻，或者如下图(a )所示，在两臂上同时并联连接下图(b )、(c )所示的电阻。 2温度误差及其补偿因载流子浓度等随温度变化而变化，

9、所以霍尔元件的内部电阻、霍尔电位等也随温度变化而变化。 这种变化的程度因半导体材料而异。 而且温度高到一定程度，发生的变化相当大。 温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。 对于温度变化引起的内阻(输入输出电阻)的变化，可以补偿输入输出电路的电阻。 (1)在输出电路的并联电阻引起的补偿输入控制电流一定的情况下，如果在随着温度增加而输出电阻增大时霍尔电位增加的输出端并联连接一个补偿电阻RL，则通过霍尔元件的输出电阻输出电阻(内部电阻) R0的电流增大，内部电阻电压降也增大，输出电压减少。 如果适当地选择补偿电阻RL，则可以达到补偿的目的。 另外，由于温度的影响，元件的输出电阻从Rt0变化成Rt，

10、输出电阻Rt和电位UHt设定为RtRt0 (1 t )。 UHtUHt0 (1 t )式中霍尔元件的输出电位UHt和输出电阻Rt的温度系数。此时，RL上的电压，补偿电阻RL上的电压随温度而变化的条件最小，因此只要知道霍尔元件的数量和Rt0，就能够计算出能够实现温度补偿的电阻RL的值。 因此，利用该补偿方法，不能完全消除温度误差。 (2)利用输入电路的串联电阻补偿霍尔元件的控制电路通过稳定化电源e供给电力，其输出端处于开路动作状态，在输入电路上串联连接适当的电阻r，霍尔电位的温度变化得到补偿。 温度增加时霍尔电位的增加值为UH=UHt0t； 另一方面，元件的输入电阻随温度的增加值为Ri=Rit0

11、t。 在用恒压源供电的情况下，控制电流和输出电位的减少量可以在全补偿条件：霍尔元件的已知条件下，求出r和Rt0的关系。 然而，r仍然是温度t的函数。 实际的补偿电路如上图(c )所示。 通过调节音量W1，可以消除不等电位。 电桥由温度系数低的电阻构成，在某个臂电阻上并联连接有热敏电阻Rt。 当温度变化时，热敏电阻根据温度变化而变化，并且补偿桥的输出电压UH相应地变化，如果仔细调节，则输出电压UH与温度几乎无关。 3.1.2磁敏电阻器磁敏电阻器是基于磁阻效应的磁敏元件。 磁敏电阻的应用范围比较广泛，可以用来制作磁场探测器、位移和角度检测器、电流校正及磁敏交流放大器等。 另一方面，将磁阻效应通电导

12、体置于磁场中时，其电阻随着磁场而变化的现象称为磁阻效应。 当温度恒定时，在磁场内磁阻与磁感应强度b的平方成比例。 仅在电子与导电无关的简单情况下，理论上导出的磁阻效应方程式是将式中的b磁感应强度设为b时的电阻率即0零磁场下的电阻率电子迁移率b磁感应强度。 当电阻率变化为B -0时，电阻率的相对变化为/0=0.2732B2=K2B2。 由此可知，在磁场定时迁移率越高的材料(例如InSb、InAs、NiSb等半导体材料)，其磁阻效应越显着。 二、磁敏电阻的结构磁敏电阻通常用两种方法制作：一种是在比较长的元件片上用真空涂层法制作，如右图(a )所示的多个短路电极(格子状)的元件，另一种是在结晶制作过

13、程中使金属具有方向性地析出作为磁敏电阻，如上图(b )所示。 另外还有圆盘形，中心和边缘分别有电极，如上图(c )所示。 磁敏电阻多为圆盘结构。 磁阻效应除了与材料有关外，也与磁阻的形状有关。 考虑到形状的影响。 电阻率的相对变化和磁感应强度和迁移率的关系在式中，l、b分别是电阻的长度和宽度的形状效应系数。 在一定的磁感应强度下，其长度l和宽度b之比越小，/0越大。 各种形状的磁阻，其磁阻和磁感应强度的关系如右图所示。 由图可知，圆盘状样品的磁阻最大。 磁敏电阻的灵敏度一般为非线性，受温度的影响很大，因此使用磁敏电阻时，首先需要知道下图所示的保持性曲线。 然后，确定温度补偿方式。3.1.3感磁

14、二极管和感磁三极管的霍尔元件和感磁电阻都是由n型半导体材料构成的体型元件。 磁敏二极管和磁敏晶体管是PN结型磁电转换元件，具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小、体积小等特点，适用于磁场、转速、探伤等方面的检测和控制。 另一方面，磁敏二极管的结构和工作原理1磁敏二极管的p型和n型电极由高电阻材料制作，在p、n之间有长的本征区域I，本征区域I的一个面被磨光为光滑的复合表面(I区域)，另一个面被打毛，设置在高复合区域(r区域)，其目的是电子空穴对由此可知，磁敏二极管为PIN型。另外，在感磁二极管的最后作用有外部磁场时，如果施加下图(a )所示的正偏压，则从r区域通过I区域向n区域进入大量的空穴，并且

15、向p区域注入大量的电子而形成电流。 在I区域只与少量的电子和空穴复合。 当磁敏二极管受到如下图(b )所示的外部磁场h (正向磁场)时，电子和空穴受到洛伦兹力而偏向r区域，由于r区域的电子和空穴的再结合速度比平滑的面I区域快，因此再结合速度变快而形成的电流减少。 磁场强度越强，电子和空穴越受到洛伦兹力越大，单位时间内由r区域复合的电子和空穴的数量越多，载流子减少，外部电路的电流变小。 磁敏二极管受到右图(b )那样的外部磁场片H-(反转磁场)时，电子和空穴受到洛伦兹力向I区域移位，电子和空穴的复合率显着变小，因此外部电路的电流变大。 通过利用感磁二极管的正向导通电流根据磁场强度的变化而变化的特

16、性，能够实现磁电转换。 3感磁二极管的主要特性(1)磁电等待性在规定的条件下，将感磁二极管输出的电压变化与施加磁场的关系称为感磁二极管的磁电等待性。 磁敏二极管通常有单独和互补两种使用方式。 这些磁电特性如下图所示。 从曲线可以看出，单独使用时，正方向的磁灵敏度比反方向大，互补使用时，正、反磁灵敏度曲线对称，在弱磁场下具有良好的直线性。 (2)将伏安特性感磁二极管的正向偏压与通过电流的关系称为感磁二极管的伏安特性，如图所示。 由图可知，感磁二极管的由磁场强度h产生的作用的伏安特性不同。 图(a )是锗感磁二极管的伏安特性，(b )是硅感磁二极管的伏安特性。 图(b )表示在宽的偏压范围内表示电

17、流变化比较平坦的施加偏压增加到一定值时，电流急速增加，伏安图的上升快，其动态电阻比较小。 (3)温度特性一般来说，感磁二极管受湿度的影响较大，即在一定的测试条件下，感磁二极管的输出电压变化量u或者磁场不作用时，中点电压Um根据温度而较大地变化。 因此，在实际使用时，需要进行温度补偿。 互补型温度补偿电路选择两个性能相近的感磁二极管，使相反磁极性的组合，即它们的感磁面相对或背对背地排列在电路中。 无论温度如何变化，其分压比总是一定的，输出电压Um随着温度变化总是一定的，达到了温度补偿的目的。 不仅如此，互补电路还可以提高磁敏感度。 差动式回路如下图(c )所示。 差分电路不仅可以很好地实现温度补偿，提高灵敏度，还可以弥补互补电路的不足。 如果电路不平衡，可以适当调整电阻R1和R2。 全桥电路的全桥电路是将两个互补电路并联连接而成的电路。 与互补电路一样，其工作点只能选择在小电流区域。 该电路在规定的磁场下，其输出电压是差分电路的2倍。 由于要选择4个相同性能的感磁二极管，实际使用存在一些困难。 热敏电阻补偿电路如下图(e )所示。 该电路利用热敏电阻随温度的变化，不改变Rt和d的分压系数，实现温度补偿。 热敏电阻补偿电路的成本比上述3种温度补偿电路稍低，因此是经常采用的温度补偿电路。 二、磁敏晶体管的结构和工