《半导体磁敏传感器》PPT课件

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1、第九章半导体磁敏传感器简介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。（磁电效应）按其结构可分为体型和结型两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(锑化铟)、InAs（砷化铟）、Ge（锗）、Si、GaAs等和磁敏电阻InSb、InAs。结型的有磁敏二极管Ge、Si,磁敏晶体管Si应用范围可分为模拟用途和数字用途。9.1.1霍尔效应图9-1霍尔效应UHbldIFLFEvB9.1霍尔传感器所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb(9-3)设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时FL=qvB(9-1)当电场力与洛仑兹力相等时

2、，达到动态平衡，这时有qEH=qvB故霍尔电场的强度为EH=vB（9-2）流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq得：v=I/nqbd(9-4)所以：UH=BI/nqd若取RH=1/nq则RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。设KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小.单位是mV/（mA·T）9.1.2霍尔元件的构造及测量电路基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，KH就越大。霍尔元件由霍尔片、

3、四根引线和壳体组成，如图所示。1构造霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。2测量电路W1W2UHUH~（a）基本测量电路WUHRLE（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式9.1.3霍尔元件的主要特征参数1.灵

4、敏度KH霍尔元件在单位激励电流和单位磁场感应强度作用下的的空载霍尔电压。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi是指控制电流极之间的电阻值。R0指霍尔元件电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。减小d；选好的半导体材料4.不平衡电势U0和不等位电阻r0在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。不等位电势与额定激励电流之比称为不等位电阻ro3.额定激励电流I当霍尔元件的电流使其本身在空气中产生10oC温升时对应的激励电流称为额定激励电流。5.霍尔温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1°C时，霍尔电势变化的百分率。即：9.1.4霍尔元件

5、的测量误差和补偿1.零位误差及补偿方法（a）不等位电势（b）霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4(a)(b)图9－5不等位电势及霍尔元件等效电路几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）WABCD(b)WCABD图9-4恒流源温度补偿电路UHIIH当温度升高时，若霍尔电压和内阻都随之增加，在I为定值时通过霍尔元件的激励电流IH减少，而通过分流电阻Rp的电流Ip增大，从而达到补偿的目的。IP2.温度误差及补偿Rp霍尔元件电阻温度系数霍尔元件电势温度系数当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电

6、压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行补偿即可。若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。利用恒流源进行补偿霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。1.霍尔高斯计；2.霍尔位移传感器；3.霍尔角位移传感器和转速传感器9.1.5霍尔式传感器的典型应用例9-1检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。图9-7霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半

7、部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1—VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。例9-2霍尔转速传感器图9-9霍尔转速传感器结构输入轴输入轴霍尔传感器（a）（b）9.2.1磁阻效应当载流导体置于磁场中，其电阻会随磁场而变化的现象。当温度恒定时，在磁场中，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。如果器件只有在电子参与导电的情况下，理论推导出来的磁