霍尔传感器及其他磁传感器.docVIP

第6章 霍耳传感器及其他磁传感器 本章要点 ·磁可以通过电磁感应转换成电进行测量； ·磁阻元件、磁敏二极管、磁敏三极管的工作原理和用途；·霍耳元件的主要特性和霍耳集成电路的应用。 霍耳传感器是利用半导体材料的霍耳效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微小位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前，霍耳传感器己从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。利用磁阻效应和磁敏特性做成的磁阻、磁敏传感器也广泛应用于各个测量与控制技术领域。 6.1 霍耳传感器工作原理 6.1.1 霍耳效应 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍耳效应。利用霍耳效应制成的元件称为霍耳传感器。 如图6-1所示，在长、宽、高分别为L、W、H的半导体薄片的相对两侧α、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由C侧指向d侧方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用FL表示，大小为 (6-1) 式(6-1)中，q为载流子电荷； v为载流子的运动速度； B为磁感应强度。 图6-1 霍耳效应与霍耳元件 a)霍耳效应 b)霍耳元件结构 c)图形符号 d)外形 在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成正电荷的积累。这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH称为霍耳电场O该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时有 霍耳电场的强度为 (6-2) 在C与d两侧面间建立的电动势差称为霍耳电压，用UH表示 (6-3) 当材料中的电子浓度为n时，v=I/(nqHW)，代入式(6-3)得 （6-4） 设RH =1/nq，得 （6-5） 设KH = RH/H，得 （6-6） 式( 6-6)中，RH为霍耳系数，它反映材料霍耳效应的强弱; KH为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳电压的大小。 通过以上分析，可以看出 (1)霍耳电压UH大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N型半导体材料。 (2)霍耳电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点: 1)根据式(6-3)， H愈小， KH愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。 2)元件的长宽比对UH也有影响o LIW加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但如果LIW过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式( 6-6)加以形状效应修正: （6-7） 式(6-7)中，j(LIW)为形状效应系数，其修正值如表6-1所示。 表6-1 形状效应系数 通常取LIW =2。 (3)霍耳电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式(6-4)， UH正比于I及B。当控制电流恒定时， B愈大， UH愈大。当磁场改变方向时， UH也改变方向O同样，当霍耳灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制J，也可以提高霍耳电压的输出O但电流不宜过大，否则，会烧坏霍耳元件。 6.1.2 霍耳元件的主要技术参数 1．输入电阻Rin和输出电阻Rout 输入电阻指α、b两侧控制电极间的电阻，输出电阻指c、d两侧霍耳元件电极间的电阻，可以在无磁场即B =0时，用欧姆表等测量。 2.额定控制电流Ie 给霍耳元件通以电流，能使霍耳元件在空气中产生10ce温升的电流值，称为额定控制电流Ic。 3.不等位电动势的 霍耳元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍耳电压的理想值；应为零，但由于存在着电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍耳元件会输出电压，该电压称为不等位电动势或不平衡电动势的，其值与输入电压、电流成正比。U。一般很小，不大于1mV。 4.霍耳电压UH 将霍耳元件置于B=O.1T的磁场中，再加上一定输入电压，此时霍耳元件的输出电压就是霍耳电压UH。 5.霍耳电压的温度特性 当温度升高时，霍耳电压减小，呈现负温度特性。在