传感器原理与检测技术第2版教学课件作者钱显毅第7章节磁传感器

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1、第七章磁传感器根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里，产生与磁通和变化速率成正比的感应电动势。因此最简单的把磁转换成电的磁传感器就是线圈，随着科学技术的发展，现代的磁传感器已向固体化发展，它是利用磁场作用使物质的电性能发生变化的各种物理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。磁传感器的种类较多，制作的传感器的材料有半导体、磁性体、超导体等不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性也不相同。本章根据最近磁传感器的发展，重点介绍基于霍尔效应一些半导体磁传感器。7.1霍尔元件早在1879年，人们就在金属中发现了霍尔效应，但是由于这种效应

2、在金属中非常微弱，当时并没有引起重视。直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被人们重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国从70年代开始霍尔器件的研究和开发，经过30余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件。7.1.1霍尔元件的工作原理及结构霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件。霍尔效率的原理如图7.1所示。图中半导体为长方体，在电场E的作用下，电流在正面平行流过，如果没有磁场作用，电子是均匀分布的，如图7.1（a）所示。如果在半导体正面垂直方向加上磁场B，则在加上磁场的瞬间，电子在洛伦兹力的作用下向下方

3、偏移，如图7.1（b）所示。这样，在半导体下侧方向上电子过剩而上侧方向电子不足，于是就产生了一个横方向上的电场，这就是霍尔电场，如图7.1(c)所示。霍尔电场产生一定大小的静电力与洛伦兹力相平衡，使得半导体内的电子仍能平行地沿正面向前运动，在半导体横面上存在一个电压，这种霍尔电压，这种的现象就是霍尔效应。(a)无磁场(b)加磁场瞬间(c)加磁场后的稳定状态图7.1霍尔元件工作原理图霍尔元件在磁场作用下，产生的霍尔电压，可由下式给出，即式中：VH霍尔元件；RH霍尔系数；d霍尔元件的厚度；I通过霍尔元件的电流；B加在霍尔元件上的

4、磁场磁力线密度；F(l/W)元件形状函数，其中l为原件的长度，W为原件的宽度。从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定，霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变。因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小和方向。霍尔元件常采用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体制作。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件虽然它的灵敏度低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场

5、合较多。图7.2是一种用溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件的结构，它由衬底、十字形霍尔元件、电极引线及磁性体顶端等构成。十字形霍尔元件4个端部的引线，有一对是电流输入端，另一对为霍尔电压输出端。铁磁体顶端是为了集中磁力线和提高元件灵敏度设置的，它的体积越大，元件的输出灵敏度越高。图7.2锑化铟霍尔元件结构图7.1.2霍尔元件的材料及结构霍尔元件的输出与灵敏度有关，KH愈大UH愈大。而霍尔灵敏度又取决于元件的材料性质和尺寸。材料的电阻率和电子迁移率大，就大，输出的UH也就大，所以在选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的

6、RH尽可能地大。元件的厚度愈大，愈小，也愈大，所以霍尔元件的厚度都比较小，但d太小，会使元件的输人、输出电阻增加。霍尔元件较常采用的半导体材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟(InAs)、砷化镓(CaAs)及磷砷化铟(InAsP)、N型硅（Si）等。锑化铟元件的输出较大，受温度的影响也较大；砷化铟和锗元件输出虽然不如锑化铟大，但温度系数小，线性度也好；砷化镓元件的温度特性和输出线性好，但价格贵。霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作

7、欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而膜式霍尔元件则是在一块极薄（0.2mm）的基片上用蒸发或外延的方法制成一种半导体薄膜，然后再制作欧姆接触电极，焊引线，并最后封装。由于霍尔元件的几何尺寸及电极的位置和大小等均直接影响它输出的霍尔电势，所以在制作时都有很严格的要求。7.1.3霍尔元件的主要特性1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT霍尔元件输入1和输入2的控制电流极间电阻为输入电阻RIN；输出1和输出2的霍尔电压极间电阻为输出电阻ROUT。2.额定控制电流IC给霍尔元件通以电流，能使霍尔元件在空气中产生100C温升的电流值，称为

8、控制电流IC。3.不等位电势V0霍尔元件在额定控制电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电压的理想值应为零，但由于存在着电极的不对称、材料电阻率不均衡等因素，霍尔元件会输出电压，该电压称为不等位电势V，其值与输入电压、电流成正比。V0一般很小，不大于1mV.4.霍尔电压VH将霍尔元件置于