《半导体传感器》PPT课件

《《半导体传感器》PPT课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第3章半导体传感器磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者有霍尔传感器，其材料主要有InSb．InAs，Ge，Si，GaAs等和磁敏电阻(InSb，InAs)；后者有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体管(Si)。磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。例如利用霍尔传感器测量磁场强度，用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关等。3.1.1霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器，有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特件应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技

2、术等各个领域。3.1磁敏式传感器1．霍尔效应长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势，导体薄片就是霍尔元件。2．工作原理霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流I时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为式中υ为电子速度，B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在FL的作用下，电子向垂

3、直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即所以。设流过霍尔元件的电流为I时，式中bd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则令则KH为霍尔元件的灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。R

4、H则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。3．霍尔系数及灵敏度令则二、霍尔元件的主要技术参数1．额定功耗P0霍尔元件在环境温度T＝25℃时，允许通过霍尔元件的控制电流I和工作电压V的乘积即为额定功耗。一般可分为最小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流I。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。2．输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。可以在无磁场

5、即B＝0时，用欧姆表等测量。3．不平衡电势U0在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻r0。4．霍尔电势温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。5．内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻只Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数β，单位为1／℃。一般取不同温度时的平均值。6．灵敏度KH其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元

6、件的灵敏度）。三、霍尔元件连接方式和输出电路1．基本测量电路控制电流I由电源E供给，电位器W调节控制电流I的大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I与B的乘积、或者I，或者B作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。2．连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。3．霍尔电势的输出电路霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在

7、毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如右图所示两种结构。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不平衡电势U0小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。例如，选用KH＝5mV/mA·kGs，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件测量1Gs～10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10-3kGs＝25μV最大输出电势