资源描述：
《一种新型两维霍尔角度传感器研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、2001年3月传感技术学报第1期一种新型两维霍尔角度传感器研究赖宗声,蔡彦,景圳,贺德洪(华东师范大学电子科学技术系,上海200062)郑筱莉(乌鲁木齐市成人教育学院物理系,乌鲁木齐830002)摘要:本文研制了一种无触点的十字型两维集成垂直霍尔器件,它对平行于芯片表面的磁场敏感.当与被测转角的物件轴向相固连的径向永久磁铁转动时,平行于芯片表面的磁场分量Bx、By大小将发生相对变化,以致集成的两对霍尔板输出电量也产生相应地变化.这时传感器件给出了相对于被测量角度的两种信号电压(sin和cos),通过arctgn(Vx/Vy)可求得
2、转角,从而达到测量角度的目的.测量结果表明利用该角度传感器件与PC机组成的测量系统其测量角度的精度可达±1°.关键词:两维霍尔器件;磁敏传感器;非接触式角度测量中国分类法:TP212文献标识码:A文章编号:1004-1699(2001)01-0014-041前言角度及角位移传感器是应用于仪表测量、工业自动化、信号检测、航空航海等领域的一种重要传感器.从半导体磁敏角度传感器的研究现状而言,从工作原理来分主要有三类:1)一维型:即只对垂直于芯片表面的磁场分量Bz敏感.当被测物发生移动、转动时,永久磁铁的磁场在磁敏器件表面上的垂直分量Bz发生变
3、化.于是磁敏器件输出的电信号相应地变化,从而得到被测物的角位移量.这类磁敏角度传感器的主要代表有两种:一是电阻型(主要是InSb-NiSb半导体磁阻元件)磁敏传感器.这类角度传感器灵敏度较高,但温度性能较差、制作工艺较复杂,而且与标准的集成电路工艺不太相容,难以实现传感器的集成化、功能化.二是霍尔板型角度传感器,如国产的HJC231W,其特点是:零磁场输出电压与灵敏度可以通过外电路来调节,线性误差小.但这一类角度传感器主要缺点是不能实现0°～360°范围的角度测量,体积大、功耗大.2)二维型:即对平行于芯片表面的磁场两个分量Bx,By敏感.
4、这类磁敏角度传感器的[1][2]主要代表有集成磁罗盘(包含两个垂直霍尔板单元)、二维磁敏晶体管角度传感器(包含二维的集成横向P-N-P磁敏晶体管单元结构)等.3)三维型:它试图测量空间任意一点磁场的三维磁矢分量.这一类半导体磁敏角度传[3]感器的主要代表有3D磁敏晶体管结构、3D垂直霍尔板与平行霍尔板组合结构、3D微机来稿日期:2000-08-16资助项目:国家九五科技攻关项目资助(96-748-02-02):集成角度传感器子课题第1期赖宗声、蔡彦等:一种新型两维霍尔角度传感器研究15[4]械霍尔磁场敏感器结构等.以上半导体磁敏角度传感器
5、种类虽多,但其中大多数尚未进入实用阶段.为了实现磁场矢量角度测量,需要一种敏感区域小、温漂小、失调小且能与标准集成电路工艺兼容的两维磁敏传感器.这种高性能传感器是无触点的无损检测,在目前仍然是国内外研究开发的热点,也是本文的研究目标.2结构原理与设计图1(a)是平行霍尔板传感器的示意图,它只对磁场分量Bz敏感.两侧的电流节点输入恒定电流,在垂直于测量表面的磁场作用下,从一对霍尔节点间输出一定的霍尔电压.可见这种结构的4个节点都在表面上.而另一种垂直型霍尔板结构则如图1(b)所示,两个霍尔输出节点和一个电流输入节点进入了器件内部,只有一个电流
6、节点在表面,这样显然是不利于集成的.[5]解决的方法如图1(c)所示,左侧是垂直霍尔板结构的示意图,我们可以把垂直霍尔板想象成是由一种可延展的材料构成的,通过延展变形使得霍尔电压输出节点逐步向表面方向延伸,如图1(c)右侧所示.最后使得垂直霍尔板的3个节点延伸达到了表面,如图1(d)所示,于是就可以用集成电路平面工艺来实现.下面讨论垂直霍尔板结构的磁敏传感器件的磁场灵敏度是否受到图形变化的影响.图1(a)水平平行板霍尔传感器示意图图1(b)垂直平行板霍尔传感器示意图图1(c)垂直霍尔板演变示意图图1(d)演变后垂直霍尔板结构示意图在两个霍尔
7、节点S1和S2之间之间产生的霍尔电压输出在忽略短路效应时,可以认为是霍尔电场沿着S1、S2的线积分.S2VH=∫EHdl(1)S116传感技术学报2001年其中EH是霍尔场强,由霍尔系数RH、电流密度J和磁感应强度B确定.EH=RHJ×B(2)在不考虑失调的情况下,可以认为S1是磁场为零的地方,积分路线沿等电力线轨迹,则式(2)可以改为:dlEH=RHJB(3)dl而电流密度又垂直于等电力线和磁感应强度方向,所以式(3)可以改写为:S21VH=RHBJtdl(4)t∫S1其中t为霍尔板厚度,而且可进一步变为:-1VH=RHBIt(5)电流I
8、由所加电压与霍尔板电阻确定,所以这种霍尔板的变形不会引起灵敏度的变化.实际设计的垂直霍尔板结构如图2(a)和图2(b)所示.这是一个由垂直霍尔板构成的两维角度传感器版图的俯视图和
