集成霍尔传感器讲课讲稿.ppt

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1、集成霍尔传感器由式(6-2-3)可见，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。这时式(6-2-3)可改写为:(6-2-4)当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式:I=nqbdv即(6

2、-2-5)将式（6-2-5）代入式（6-2-3），得到(6-2-6)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，它的单位是mV/(mA·T)由式(6-2-6)可见，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(6-2-7)由式(6-2-4)、(6-2-6)还可以得到载流体的电阻率ρ与霍尔系数RH和载流子

3、迁移率μ之间的关系:(6-2-8)通过以上分析，可以看出:1)霍尔电压UH与材料的性质有关。根据式(6-2-8)，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与元件的尺寸有关。根据式(6-2-7)，d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。从式(6-2-4)中可见，元件的长度比l/b对UH也有影响。前面的

4、公式推导，都是以半导体内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况只有在l/b很大时，即控制电极对霍尔电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式正比于及。当控制电流恒定时愈大愈大。当磁场改变方向时，也改变方向。同样，当霍尔灵敏

5、度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。二、霍尔元件如前所述，霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中，总是希望获得较大的霍尔电压。增加控制电流虽然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功耗也增加，从而导致元件的温度升高，甚至可能烧毁元件。设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流I时，元件的功耗Pi为(6-2-9)式中，ρ为霍尔元件的电阻率。设霍尔元件允许的最大温升为ΔT，相应的最大允许控制电流为Icm时，在单位时间内通过霍尔元件表面逸散的热量应等于霍尔元件

6、的最大功耗，即(6-2-10)式中，A为散热系数W/(m2C)。上式中的2lb表示霍尔片的上、下表面积之和，式中忽略了通过侧面积逸散的热量。这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为(6-2-11)将上式及RH=μρ代入式(6-2-6)，得到霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压，即：(6-2-12)式说明，在同样磁场强度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件输出霍尔电压仅仅取决于，即材料本身的性质。根据式(6-2-12)，选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的RH和μρ

7、1/2尽可能地大。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它方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、二个数量级，可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。三、温度特性及补偿1．温度特性霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由于电

8、阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图6-2-2和6-2-3所示。图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化1℃时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用β表示。把温度每变化1℃时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用α表示。可以看出：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。除了锑化铟的内阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。霍尔电压