传感器技术 教学课件作者 陈建元 第五章 磁敏传感器2.ppt

第5篇 磁敏传感器技术 1 霍尔式磁敏传感器 2 结型磁敏器件 3 磁阻式磁敏传感器 4 机械式、感应式与磁通门式磁敏传感器 5磁共振式及超导式磁敏传感器 6光纤磁敏传感器 7微波传感器 1 霍尔式磁敏传感器 。 霍尔磁敏传感器包括霍尔元件和霍尔集成电路。后者是将分立的霍尔元件与放大器电路等集成在一块硅片上所构成的一种IC型结构。它们都是基于半导体材料中电流与磁场相互作用从而产生电动势的霍尔效应原理工作的。 1.1 霍尔效应 如图1.1模型所示，当在长方形半导体片的长度方向通以直流电流I时,若在其厚度方向存在一磁场B,那么在该半导体片的宽度方向就会产生电位差EH，此即霍尔效应。 位于磁场中运动的电子将受到洛仑兹力Fm的作用 ,电子将因受到朝向CD面的洛仑兹力Fm的作用而向右偏转，从而造成CD面电子的堆积，并由此引起AB面空穴的堆积。电荷堆积的结果就是在AB/CD两个面之间建立起一个横向的静电场E,即即为霍尔电场，用EH表示 v是电子的平均运动速度；B为磁感应强度 假设n型半导体片中电子的浓度为n，则流过截面ABDC的电流密度大小为： 则 电流密度J可用流过半导体界面的电流Ic表示为 则 AB/CD两个面之间的电势差称为霍尔电压VH，它可以用下式来表示：  定义霍尔系数RH为 ： 霍尔元件的灵敏度KH为 ： 则： 在图1.1所示情况下，Ic与B方向相互垂直，故θ=90o，此时： 即为常用的霍尔电压公式 实际应用中，将这种保持霍尔元件控制电流IC不变的驱动方式称为恒流源驱动方式。 由欧姆定律R=U/I、电场强度公式E=v/μ（v为电子速度，μ为电子迁移率）以及电流公式I=-(Wdv)ne(n为电子体积浓度)，可得： 即得用V表示的霍尔电压表达式： 以上均是在不考虑霍尔元件形状效应的理想情况下得到的，此时，假定霍尔元件为无限宽。但实际上，霍尔元件的尺寸都是有限的。 霍尔电极B、D的大小及其相对位置对霍尔电势也有影响。如图所示，理想情况下，霍尔电极A对应的等电位点在A’，当外磁场B=0时，Vh=VAA’=0。但实际上，因为各种原因，A的等电位点不在A/，而在A//，此时即使外磁场B=0，也会有Vh=VAA’≠0。为了减小霍尔电极大小及其相对位置的影响，通常取霍尔电极的宽度尺寸小于霍尔元件长度尺寸的1/10。 GaAs和InSb霍尔元件的性能对比 制作霍尔元件的主要材料有GaAs（砷化镓）、InSb（锑化铟）、Si（硅）等。其中，前两种最常用 1.2霍尔元件的主要技术参数 1）输入电阻（Rin） （室温、零磁场下测量时）霍尔元件两控制极之间的电阻，单位：欧姆（Ω）。 （2）输出电阻（Rout） （室温、零磁场下测量时）霍尔元件两霍尔电极之间的电阻，单位：欧姆（Ω）。 （3）额定控制电流（Ic） （空气中，且满足一定散热条件下）霍尔元件温升不超过10oC时所通过的控制电流，单位：安培（A）。 （4）最大允许控制电流（Icm） （空气中，且满足一定散热条件下）霍尔元件允许通过的最大控制电流，该电流与霍尔元件的几何尺寸、电阻率ρ及散热条件有关，单位：安培（A）。 （5）不等位电势（Vm） 额定控制电流下，外磁场为零时，霍尔电极间的开路电压。单位：伏特。 不等位电势是由两个霍尔电极不在同一个等位面上造成的，其正负随控制电流方向而变化,但数值不变。 （6）不等位电阻（RM） 不等位电势VM与额定控制电流Ic之比称为不等位电阻，即RM=VM/IC。 （7）磁灵敏度（SB）与乘积灵敏度（SH） 额定控制电流下，B=1T的磁场垂直于霍尔元件电极面时，霍尔电极间的开路电压，称为磁灵敏度，即：SB=VH/B，单位：V/T。 控制电流为1A,B=1T的磁场垂直于霍尔元件电极面时，霍尔电极间的开路电压，称为乘积灵敏度。即：SH=VH/（IcB），单位：V/（A.T）。 （8）霍尔电势温度系数（β）外磁场B一定，控制电流I=Ic，温度变化ΔT=T2-T1=±1oC时,霍尔电势VH变化的百分率称为霍尔电势温度系数，即： （9）输入/输出电阻温度系数αin （10）非线性误差NL 1.3 霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理 理想情况下,若无外加磁场，可以认为上述四个电阻相等，即R1=R2=R3=R4，则霍尔电势VH=0。但实际上，霍尔元件都是存在不等位电势的,即使无外加磁场，上述电桥的输出也不为零。 为了补偿该零位误差，可以在相应的桥臂上并联合适的电阻，从而保证电桥满足平衡条件，常用的补偿方法及其等效电