《常用半导体传感器》PPT课件

第一节第一节 霍尔传感器霍尔传感器 一、霍尔效应一、霍尔效应 在金属或半导体薄在金属或半导体薄片的两端通过控制片的两端通过控制电流电流I,I,并在薄片的并在薄片的垂直方向施加磁感垂直方向施加磁感应强度为应强度为B B的磁场的磁场,+IUHBFLFEv 那么那么,在垂直于电流和磁在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势场方向上将产生电动势U UH H（霍尔电压）（霍尔电压）.d为霍尔元件的厚度洛伦兹力：洛伦兹力：FL=-ev B 电荷聚集，电荷聚集，UH产生产生静电场产生反力：静电场产生反力：FE=-e EU=-e UH/b平衡时：平衡时：FL=FE，-ev B=-e UH/b UH=bvB I 为控制电流：为控制电流：I=dQ/dt=b d v n(-e)b v=I/d n(-e)则：则：UH=I B/d n(-e)取取 RH=1/n(-e)霍尔常数霍尔常数,由半导体材料决定由半导体材料决定则：则：UH=RH I B/d取取 KH=RH/d 则：则：UH=KH I B 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场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：中洛伦兹力作用的结果：UH=KHIBb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霍尔电势的大小正比于控制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B的乘积。的乘积。K KH H称为霍尔元称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应件的灵敏度，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强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数大小的重要参数 当控制电流方向或磁场方向改变时，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输出电动势方向也将改变二、灵敏度二、灵敏度1 1）材料电阻）材料电阻与载流子浓度与载流子浓度n n和其迁移率和其迁移率相关，相关，RH=(,)(,)(RH=1/n(-e)2）KH=RH/d，则则d要小，霍尔片要薄（要小，霍尔片要薄（1mm）3）霍尔片长边）霍尔片长边/短边短边4，输出不受影响（一般长，输出不受影响（一般长边边/短边短边=2,短边通以电流，长边输出短边通以电流，长边输出UH）建立霍尔效应的时间很短：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）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（无接触要求：欧姆接触（无PNPN结）结）老式：焊接老式：焊接 新方法：离子注入工艺新方法：离子注入工艺 溅射工艺溅射工艺 霍尔元件外形及结构：霍尔元件外形及结构：尺寸：尺寸：4 41324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。在磁场作用下，负载上有电压输出。实际使用时实际使用时,以以I I或或B,B,或同时作为输入信号，或同时作为输入信号，而输出信号则正比于而输出信号则正比于I I或或B,B,或两者的乘积。或两者的乘积。三、基本电路三、基本电路 控制电流由控制电流由E E供给供给 R RP P为调节电阻为调节电阻 R Rf为负载电阻为负载电阻 四、电磁特性四、电磁特性 1 1）HI特性：特性：UH=KH I B 在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势UH与控与控制电流制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用度用KI表示。表示。KI=KH B UH=KI I（线性）（线性）KH KI KI 、I UH UH=fH()RHIBdLl六、六、材料及结构特点材料及结构特点一般采用以下半导体单晶材料制成：N型锗型锗、砷化铟砷化铟、锑化铟锑化铟 敏感敏感元件元件一般一般测量测量七、误差分析及误差补偿方法七、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元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能的影响的影响UH=fH()RHIBdLlfH(L/l)为元件的 形状系数当当L/L/l22时时,形状系数形状系数fH(L/l)接近于接近于1 1实际上实际上,取取L/L/l=2=2 b)b)霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响当时当时,电极宽度的影响才可以忽略不记电极宽度的影响才可以忽略不记.a)a)2 2）不等位电动势及其补偿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势极焊在同一等位面上.3 3）寄生直流电动势寄生直流电动势a a）非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动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势极上的整流效应b b）电动势极的的焊点不一致电动势极的的焊点不一致,两焊点的热容两焊点的热容量不一致产生温差寄生直流电动势量不一致产生温差寄生直流电动势4 4）感应电动势感应电动势 在交变磁场中工作时在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附在输出回路中产生附加感应电动势加感应电动势,其大小正比于磁场变化的频率其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值和磁感应强度的幅值,并与霍尔电动势极引线并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比构成的感应面积成正比a a 合理布线：在合理布线：在磁路气隙中安置磁路气隙中安置一辅助霍尔元件一辅助霍尔元件(特性相同特性相同)b b 自身补偿法自身补偿法5）温度误差补偿温度误差补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和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阻、霍尔电动势也将随温度变化a a 选用温差系数选用温差系数小的元件（砷化小的元件（砷化铟）铟）b b 恒流供电：减恒流供电：减少元件内阻随温少元件内阻随温度变化引起的控度变化引起的控制电流变化。制电流变化。c c 其它温度补偿其它温度补偿法法八、霍尔传感器的特点：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、易于响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化集成化九、应用九、应用1、功能可分为：功能可分为：霍尔线性器件（输出模拟量）霍尔线性器件（输出模拟量）霍尔开关器件（输出数字量）霍尔开关器件（输出数字量）2 2）按被检测的对象的性质可分为：）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直接应用：直接检测出受检测对象本身 的磁场或磁特性（的磁场或磁特性（高斯计）高斯计）间接应用：检测受检对象上人为设置的间接应用：检测受检对象上人为设置的 磁场，用这个磁场来作被检磁场，用这个磁场来作被检 测的信息的载体，通过它将测的信息的载体，通过它将 许多非电、非磁的物理量例许多非电、非磁的物理量例 如力、位移、速度以及工作如力、位移、速度以及工作 状态发生变化的时间等，转状态发生变化的时间等，转 变成电量来进行检测和控制变成电量来进行检测和控制 为了精确地测量磁场为了精确地测量磁场,常用恒流源供电常用恒流源供电,使被使被测磁场的磁感应强度测磁场的磁感应强度B B可用霍尔电压来量度可用霍尔电压来量度电流传感器电流传感器电功率计电功率计电机控制电机控制（直流无刷电机）（直流无刷电机）