次课 霍尔传感器6月

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1、前次课程简要回顾1、压电效应和逆压电效应；2、等效电路；3、完整等效电路；4、测量电路；21、压电效应和逆压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。_y逆压电效应压电效应2021/1

2、0/43可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。2、等效电路电荷等效电路电压等效电路2021/10/453、完整等效电路压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。压电传感器的实际等效电路2021/10/464、测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也

3、有两种形式：电压放大器和电荷放大器。q霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。第一节霍尔传感器半导体磁传感器的优势在于，它们的制造技术和微电子集成电路技术兼容，可以量产，大幅降低了生产成本；输出信号可供计算机和各种仪器设备直接使用，非常方便；抗蚀性强，磁场对器件的作用不受使用环境中的光线、尘埃、油污、盐雾及其它化学气氛的影响；结构牢固、耐震动、耐冲击和寿命长。一、工作原理、材料及结构特点1、

4、工作原理霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。所谓霍尔效应是指置于磁场中的导体或半导体中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差。RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，KH为霍尔灵敏度磁感应强度B为零时的情况磁感应强度B较大时的情况霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab半导体材料的长、宽、厚分别为L、l和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面C和D上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中

5、便形成一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用FL表示，大小为：FL=evB)式中，e为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。CDxzyAB在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A,B两端面因电荷积累而建立了一个电场ＥH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有eEH=evB霍尔电场的强

6、度为EH=vB在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示UH=EHl=vBl所以，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。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／所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/L当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式:I=neldv即式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱；KH为霍尔灵敏度，它表示

7、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，KH=RH/d。霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸2、材料及结构特点(1)霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。载流体的电阻率ρ与霍尔系数RH和载流子迁移率μ之间的关系材料的ρ、μ大，RH就大.金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。(2)霍尔电压UH与元件的尺