第11章磁敏传感器

代入： 代入： U = E w = vBw H H
Ic 1 得： U = − Bw = − Ic B H newd ned
型半导体材料,定义霍尔系数 对N型半导体材料 定义霍尔系数 H为： 型半导体材料 定义霍尔系数R
1 RH = − ne
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得：
令： 得：
Ic B U H = RH d RH KH = d
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当霍尔元件使用的材料是P型半导体时 导电的载 当霍尔元件使用的材料是 型半导体时,导电的载 型半导体时 流子为带正电的空穴(设浓度为 ）。 流子为带正电的空穴 设浓度为p）。 设浓度为 空穴运动：在电场 作用下沿电力线方向运动 空穴运动：在电场E作用下沿电力线方向运动 （与电子运动方向相反）； 与电子运动方向相反）； 所带电荷也与电子相反,结果它在洛伦兹力作用 所带电荷也与电子相反 结果它在洛伦兹力作用 下偏转的方向与电子却相同； 下偏转的方向与电子却相同； 结论：积累电荷有不同符号 霍尔电压有相反符号 霍尔电压有相反符号。 结论：积累电荷有不同符号,霍尔电压有相反符号。 型材料的情况下,霍尔系数为正 在P型材料的情况下 霍尔系数为正 即 型材料的情况下 霍尔系数为正,即
∆R＝R －R＝KR
’
浮动零点跟踪电路： 浮动零点跟踪电路：
R4 R2 Rt2 Vr Rt1 R1 D1
t
+ A1 V0
V0
R3 C1 + +
A2
V1
t
A3
V1
R1 R2 R4 R1 R2 R4 VO = + − (Vr − 4.7 ) + 4.7 Rt1 ⋅ Rt 2 ⋅ (R2 + R4 ) Rt1 Rt 2 ⋅ (R2 + R4 )
应用 分类
间接应用型： 间接应用型：通过磁场变化测量非磁信号
其它：核磁共振、超导量子干涉器件 其它：核磁共振、超导量子干涉器件(SQUID)
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§11.1 霍尔传感器
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁性传感器， 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁性传感器，已 发展成为一个品种多样的磁性传感器产品族。 发展成为一个品种多样的磁性传感器产品族。 霍尔传感器具有精度高、线性度好、无触点、无磨损， 霍尔传感器具有精度高、线性度好、无触点、无磨损， 寿命长，属于半永久器件。位置重复精度高（可达µm 寿命长，属于半永久器件。位置重复精度高（可达 级）。 用于无触点开关和各种机械、电磁参量的检测， 用于无触点开关和各种机械、电磁参量的检测，用 在翼片开关、接近传感器、电流传感器， 在翼片开关、接近传感器、电流传感器，大量用于小 型直流无刷电机、平板电机和电流、电压、 型直流无刷电机、平板电机和电流、电压、磁场的检 测中。 测中。
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结论： 结论： 霍尔电压正比于控制电流强度和磁感应强度。 霍尔电压正比于控制电流强度和磁感应强度 。 在控制电流恒定时,霍尔电压与磁感应强度成正 在控制电流恒定时 霍尔电压与磁感应强度成正 比； 磁感应强度改变方向时,霍尔电压也改变符号 霍尔电压也改变符号。 磁感应强度改变方向时 霍尔电压也改变符号 。 因此,霍尔器件可以作为测量磁场大小和方向的 因此 霍尔器件可以作为测量磁场大小和方向的 传感器； 传感器； 传感器的灵敏度与电子浓度n成反比 成反比。 传感器的灵敏度与电子浓度 成反比。半导体材 料的n比金属小很多 所以灵敏度较高； 比金属小很多,所以灵敏度较高 料的 比金属小很多 所以灵敏度较高； 霍尔器件的灵敏度与它的厚度d成反比 越小 成反比, 越小,灵 霍尔器件的灵敏度与它的厚度 成反比 d越小 灵 敏度越高。 敏度越高。
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电子带的电荷为-e,在磁场作用下 电子带的电荷为 在磁场作用下, 在磁场作用下 洛伦兹力为： 洛伦兹力为： F = −evB
平衡时霍尔电场 对电子的作用力与洛伦兹力 平衡时 霍尔电场EH 对电子的作用力与 洛伦兹力 霍尔电场 大小相等，方向相反，相互平衡 即 大小相等，方向相反，相互平衡,即
eEH = evB
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锗 磁
4 电流 流（mA） 3 B=0 2 1 B+=0.2T 0 2 4 6 8 电压（V） 10
敏
Ta=25oC B-=0.2T
二 极 管 的 正 向 伏 安 特 性
图11-3-2 硅磁敏二极管伏安特性
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磁敏三极管
磁敏三极管也是以长基区为主要特征,以锗管为例。 磁敏三极管也是以长基区为主要特征 以锗管为例。 以锗管为例
锗磁敏三极管结构和原理
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工作原理： 工作原理： 磁敏三极管有两个PN PN结 其中发射极E 和基极B 磁敏三极管有两个 PN 结 , 其中发射极 E 和基极 B 之间的 PN结是由长基区二极管构成 也设置了高复合区, 结是由长基区二极管构成, PN结是由长基区二极管构成,也设置了高复合区,即图 中粗黑线部分。 (a)表示在磁场 作用下, 表示在磁场B 中粗黑线部分 。 图 (a) 表示在磁场 B 作用下 , 载流子受 洛伦兹力而偏向高复合区,使集电极C的电流减少。 洛伦兹力而偏向高复合区,使集电极C的电流减少。图 (b)是反向磁场作用下载流子背离高复合区,集电极电 (b)是反向磁场作用下载流子背离高复合区, 是反向磁场作用下载流子背离高复合区 增加。可见, 恒定, 流 IC 增加 。 可见 , 即使基极电流 IB 恒定 , 靠外加磁场同 这是和普通三极管不一样之处。 样改变集电极电流 IC, 这是和普通三极管不一样之处 。 因为基区长度大于载流子有效扩散长度, 因为基区长度大于载流子有效扩散长度 , 所以共发射 极直流电流增益β< β<1 极直流电流增益 β<1, 但是其集电极电流有很高的磁 灵敏度, 灵敏度 , 主要依靠磁场来改变 IC 。 一般锗磁敏三极管 的集电极电流相对磁灵敏度为(160% 200%)/T,有的甚 的集电极电流相对磁灵敏度为(160%~200%)/T,有的甚 至达到350 /T。硅磁敏三极管平均为(60% 70%)/T,最 350% 至达到350%/T。硅磁敏三极管平均为(60%~70%)/T,最 大达到150 /T。 150% 大达到150%/T。
11章 第11章 磁敏传感器
§11.1 霍尔传感器 §11.2 磁阻传感器 §11.3 磁敏二极管磁敏三极管
概述 磁敏传感器： 磁敏传感器：指将磁性量转化为电 信号的传感器。 信号的传感器。
高导磁率材料(µ 高导磁率材料 µ>>1),有磁致伸缩效应等 有磁致伸缩效应等
材料 分类
低导磁率材料(µ≈ 半导体材料 低导磁率材料 µ≈1),半导体材料 µ≈ 直接应用型： 直接应用型：直接测量磁场
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霍尔式转速传感器
原理： 原理
磁性转盘的输入轴与被测转 轴相连, 当被测转轴转动时, 轴相连 当被测转轴转动时 磁 性转盘随之转动, 性转盘随之转动 固定在磁性转 盘附近的霍尔传感器便可在每 一个小磁铁通过时产生一个相 应的脉冲, 应的脉冲 检测出单位时间的脉 冲数, 便可知被测转速。 冲数 便可知被测转速。磁性转 盘上小磁铁数目的多少决定了 传感器测量转速的 分辨率。 分辨率。
ρ B − ρ 0 ∆ρ = = 3.8 × 10 −17 H 2 µ 2 ρ0 ρ0
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形状磁阻效应: 形状磁阻效应
与半导体薄片形状有关的电阻变化为： 与半导体薄片形状有关的电阻变化为：
RB ρB L = ×Gr , tgθ R0 ρ0 W
几何磁阻 效应
Gr---与磁场和样品形状有关的几何因子。 与磁场和样品形状有关的几何因子。 与磁场和样品形状有关的几何因子
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基本测量电路
B I UH
RL
R
E
图11-1-4 霍尔元件的基本测量电路
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误差分析
1.零位误差：当磁场强度为零时，仍有一定 零位误差：当磁场强度为零时， 零位误差 霍尔电压输出,这就是元件的零位误差。 霍尔电压输出 这就是元件的零位误差。 这就是元件的零位误差
产生原因: 产生原因 不等位电势： 不等位电势 ： 由于两个霍尔电压极在 制作时不可能绝对对称地焊在霍尔元 件两侧,控制电流极的端面接触不良 控制电流极的端面接触不良,以 件两侧 控制电流极的端面接触不良 以 及材料电阻率不均匀、 及材料电阻率不均匀 、 霍尔元件的厚 度不均匀等均会产生不等位电势。 度不均匀等均会产生不等位电势。
R
R
图11-1-7 不等位电势的几种补偿线路
R
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霍尔集成电路
Uee Uee
A
施密特 电路
输出级
Uout
A
输出级
Uout

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二、霍尔传感器
霍尔式位移传感器
dU H dB = KHI =K dx dx
∴U H = K ⋅ x
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霍尔式位移传感器原理示意图
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霍尔压力传感器
U H 与被测压力 P 的关系： U H = K H IB = K H IK B K P P = KP
得霍尔电场强度的大小： 得霍尔电场强度的大小：
EH = vB
电场在电极④ 电场在电极④到③方向建立霍尔电压UH： 方向建立霍尔电压
霍尔元件 的宽度
U H = EH w = vBw
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在电子浓度为n时 有 在电子浓度为 时,有
I c = − nev ⋅ (wd ) Ic v=− newd
霍尔元件 的横截面面积
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一．霍尔效应和霍尔器件
当电流垂立于外磁场方向通过导体或半导体薄片 时，在薄片垂真于电流和磁场方向的两侧表面之 间产生电位差的现象，称为霍尔效应 霍尔效应。 间产生电位差的现象，称为霍尔效应。所产生的 霍尔电势。 电势差称作霍尔电势 电势差称作霍尔电势。 它是出于运功载流子受到磁场的作用力(称为 称为洛 它是出于运功载流子受到磁场的作用力 称为洛 仑兹力)，而在薄片两侧分别形成电子、 仑兹力 ，而在薄片两侧分别形成电子、正电荷积 累所致。 累所致。