《磁敏式传感器》课件

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1、第七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。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），磁敏三极管（Si）应用范围可分为模拟用途和数字用途。主要内容7.1霍尔传感器7.2集成霍尔传感器7.3磁敏电阻器7.4磁敏二极管和磁敏三极管7.5磁敏式传感器的应用7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应图7-1霍尔效应UHbldI

2、FLFEvB7.1霍尔传感器7.1.1霍尔效应所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb(7-3)设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时FL=qvB(7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有qEH=qvB故霍尔电场的强度为EH=vB（7-2）流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq得：v=I/nqbd(7-4)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

3、电压的大小.单位是mV/（mA·T）材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即所以而比较得或结论：①如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得②霍尔电压UH与材料的性质有关。③霍尔电压UH与元件的尺寸有关。另外通常还要对其形状效应修正UH=RHBIf(L/b)/dL/b0.51.01.52.02.53.04.0f(L/b)0.3700.6750.8410.9230.9670.9840.996④霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。7.1.2霍尔元件的构造及测量电路1构造霍尔片是一

4、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。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7.1.3霍尔元件的技术参数1.额定功耗P0在环境温度25℃时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。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

5、量。4.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℃时，霍尔电势变化的百分率。即：3.不平衡电势U0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。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，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：6.灵敏度或：减小d;选好的半导体材料霍尔元件的主要技术参数7.1.4霍尔元件的测量误差和补偿1.零位误差及补偿方法图7-4不等位电势图7-5霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4几种常用补偿方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDA

6、R2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2.温度误差及补偿(1)利用输入回路串联电阻进行补偿（a）基本电路（b）等效电路EIUHRUHtRO(t)RIUHERi(t)元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图7-7可知：对上式求温度的导数，可得增量表达式：即：由上式可看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使当元件的α、β及内阻Ri0确定后，温度补偿电阻R便可求出。在实际应用中，当霍尔元件选定后，其α、β值可以从元件参数表中查出，而元件内阻Ri0则可由测量得到。（2）利用输出回路的负载进行补偿（a）基

7、本电路（b）等效电路UHIIRLUHtRi(t)RO(t)RLIUHI霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。即，可以不考虑输入回路的温度影响在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：此时，RL上的电压为负载电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为根据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。（3）利用恒流源进行补偿对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随

8、温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏