传感器技术第4章new

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1、第四章磁传感器磁传感器是一种对磁感应强度、磁场强度和磁通量敏感，并能把这些磁学量的信息转换成电信息的传感器。虽然磁传感器只直接对磁学量敏感，但通过非磁量对磁量的适当转换，使磁传感器的应用已远远扩展到了对各种各样非磁量进行测控的领域。4.1霍尔器件利用霍尔效应产生霍尔电势的器件称为霍尔器件。4.1.1霍尔效应如图4.1，一块长为l、宽为w、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为图4.1霍尔效应原理图B的磁场中，B垂直于l-w平面。沿l通电流I，N型半导体中的载流子-电子将受到罗仑兹力F的作用，BFeBB式中e为电子

2、电量，为电子速度。在上式中，当B不垂直于l-w平面，而是与l方向的电流夹角，则FeBsin。在力F的作用下，电子向半导体片的一个侧BB面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场E，所以电子在受到磁场作用力F的同HB时，在w方向还将受到霍尔电场E的作用力FeE，F与F方向相反，它阻HHHHB1止F对电子产生的偏移运动。当霍尔电场力F增大到与F数值相等时，电子的积BHB累达到动态平衡，有eEeBHEBH由于存在E，半导体片两侧面间出现

3、电位差U，称为霍尔电势，显然HHUwEwBHH设n为N型半导体中载流子电子的浓度，则形成电流I的电流密度为ne，可得Ienwd把由上式得到的代入U式，得H1IBUHend(4.1)IBRHd式中RH1en称为霍尔系数，与材料本身的载流子浓度n有关。因为UH随I而变，I称为器件的控制电流。由式(4.1)可见，霍尔电势U对磁感应强度B敏感，通过测量U而得到B。HH通常，把式(4.1)改写成RHUIBKIB4.2HHd式中RUHHK4.3HdIB称为器件的乘积灵敏度，即在单位控制电流和单位

4、磁感应强度下的霍尔电势。在式(4.2)中，I的单位为安培，B的单位为特斯拉(T)，U的单位为伏特，K的单位为HH伏／安²特（或毫伏/毫安²特）。4.1.2霍尔器件的结构和测量电路一、结构霍尔器件的基本结构如图4.2，即在图4.1中l的两个端面上各做一个欧姆接触(即非整流接触)，作为通控制电流I的电流电极;再在w方向的两个端面的中点各做一很小的欧姆接触，作为引出和测量霍尔电势的电压电极，称为霍尔电极。2图4.2霍尔器件结构示意图由式(4.2)可见，厚度d愈小，则U越大，器件越灵敏。利用砷化镓外延层或硅H外延层为工作层的霍尔

5、器件，d可以薄到几个微米(l和w可小到几十微米)。利用外R1延层还有利于霍尔器件与配套电路集成在一块芯片上。因KHend，外延Hd层的电阻率越高(n越小)，则器件越灵敏。深入的分析还表明，载流子电子的迁移率越高，则器件越灵敏，所以砷化镓霍尔器件的灵敏度高于硅霍尔器件。霍尔电极位于l处，是因为这里的U最大。2H除了上述的矩形结构以外，还有方形结构和对称十字形结构。这两种结构的电流电极和霍尔电极可以互换使用，因为是对称结构。值得一提的是，八十年代末出现了一种新型霍尔器件——超晶格结构(砷化铝/砷化镓)的霍尔器件。制

6、备这种器件利用了分子束外延和调制掺杂工艺，衬底为砷化镓。这种器件的乘积灵敏度达1200V。由于高电场效应使灵敏度提高，控制电AT流为9.5mA时的磁灵敏度达15V(器件宽度w200m)。当保持上述情况下的电流T密度不变，霍尔电压U与w成正比，所以，如果使器件的w1cm，则磁灵敏度可H11达750V，可测10T的微磁场。可以说，超晶格霍尔器件是霍尔器件的一个质的T飞跃。二、测量电路在测量电路中，霍尔器件的符号有两种表示法，如图4.3(a)。基本测量电路如图4.3(b)，调节R使控制电流为额定值;待测磁场B垂直于器

7、件表面(转动器件，当U显H示最大，则器件表面已垂直于B)。(a)(b)图4.3霍尔器件电路符号和测试电路原理图由式(4.2)，当I、B都是直流，则U为直流信号。当I为直流、B为交变磁H场，或I为交流，B为直流磁场，则U为交流信号。H4.1.3霍尔器件的主要特性参数一、乘积灵敏度KH3由式(4.3)，K是指I为单位电流，B为单位磁感应强度，霍尔电极为开路H(R)时的霍尔电势。L二、额定控制电流Icm霍尔器件将因通电流而发热。使在空气中的霍尔器件产生允许温升T的控制电流称为额定控制电流I。当II，器件温升将大于允许温

8、升，器件特性将变坏。cmcmIw2dT4.4cms式中为器件的散热系数，为器件工作区的电阻率。一般I为几毫安到几百毫scm安，与器件所用材料和器件尺寸有关。三、磁灵敏度KB当控制电流为I时，单位磁感应强度产生的开路霍尔电势为K。由式(4.2)和cmB(4.4)，I对应的开路霍尔电势cm112U2