固态传感器-磁敏

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1、Chapter8固态传感器8-1磁敏传感器检测技术Chapter8固态传感器定义以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料，在力、磁、热、光、射线、气体、湿度等因素作用下引起材料物理特性变化，通过检测其物理特性的变化即可反映被测参数值。物性型传感器。Chapter8固态传感器优点由于传感器原理是基于物性变化，因而没有相对运动部件，不存在磨损问题，可以做到结构简单，小型轻量；感受外界信息灵活，动态相应好，并且输出为电量；采用半导体为敏感材料，容易实现传感器的集成化、一体化、多功能化、图像化、智能化；功耗低，安全可靠。Chapter8固态传感器缺点输出特性一般为非线性，所以线

2、性范围较窄，在线性度要求高的场合应采用线性化电路；输出特性易受温度影响而产生漂移，所以要采取温度补偿措施。过载能力差，性能参数离散性大。8.1.1霍尔传感器1霍尔效应2霍尔系数和灵敏度3材料及结构特点4基本电路形式5电磁特性6误差分析及其补偿方法7霍尔器件的特点8应用1.霍尔效应科学家爱德文·霍尔1879年发现了霍尔效应。半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应；该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。为什么会产生霍尔电势呢？图1霍尔效应原理图1.霍尔效应霍尔效应是导电材料

3、中的电流与磁场相互作用而产生电动势的物理效应。在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I，假设载流子是电子(N型半导体材料)，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑磁力的的作用，电子将向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累。而另一侧形成正电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受的电场力与洛仑兹力相等时，电子的积累达到平衡。这是在两个端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势。1.霍尔效应设电子以相同的速度v按图示方向运动，在磁感应强度B的磁场作用下，并设其正电荷所受洛仑兹力方向为正，则电子受到的洛仑兹力可用下式表示：霍尔电场作用

4、于电子的力可表示为：当达到动态平衡时，fE＋fL=0于是得，(8-1)(8-3)(8-2)1.霍尔效应电流强度I=jbd=-nevbdv=-I/nebdd－霍尔元件的厚度。e－电子电量。又因为j=-nevj－电流密度n－单位体积中电子数，负号表示电子运动方向与电流方向相反。将(8-4)式代人(8-3)式，得UH=-IB／ned若霍尔元件采用P型半导体材料，则可推导出UH=IB／pedp－单位体积中空穴数。(8-5)(8-4)(8-6)2.霍尔系数和灵敏度设RH=1/ne则(8-5)式可写成RH为霍尔系数，其大小反映霍尔效应的强弱。由电阻率＝1/ne，得RH=

5、－材料的电阻率－载流子迁移率，即单位电场作用下载流子运动速度。一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此制作霍尔元件时多采用N型半导体材料。思考：霍尔效应和电涡流的异同点？金属是否适合用来制作霍尔元件？为什么？(8-7)(8-8)霍尔效应和电涡流现象异同点1.相同点：存在磁场2.不同点：霍尔系数:K=1/ned式中,n为载流子密度,一般金属中载流子密度很大,所以金属材料的霍尔系数系数很小,霍尔效应不明显;而半导体中的载流子的密度比金属要小得多,所以半导体的霍尔系数系数比金属大得多,能产生较大的霍尔效应,故霍尔元件不用金属材料而是用半导体!电涡流霍尔效应金属导体交变磁

6、场(导体运动)感应出电流电磁原理通电线圈产生磁场半导体材料(一般是N型)磁场可以恒定或者交变感应出电势物性型传感器使用磁铁产生磁场2.霍尔系数和灵敏度设将上式代入（8-7）则KH－元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位是(mV/mA·T)。当磁感应强度B与霍尔片平面法线成角度θ时，（8-11）表明，当控制电流转向时，输出电势方向也随之变化，磁场方向改变时亦是如此。(8-9)(8-10)(8-11)2.霍尔系数和灵敏度如果电流I用外部所加的电压E来表示，那么：I=E/RR:霍尔元件的电阻值2.霍尔系数和灵敏度总结：RH:

7、霍尔系数，反应霍尔效应的强弱，KH：元件的灵敏度，表示单位B和I的作用下，霍尔电势的大小。RH=1/ne提高灵敏度的方法①金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件。②元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加，锗元件更是不希望如此。一般d=0.1~0.2mm,薄膜型霍尔元件只有1μm左右。③适当选择材料的迁移率μ及霍尔片的宽长比(b/L)，可以改变霍尔电势UH。3.霍尔元件的结构和基本电路结构霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是矩形半导体