传感器第四章基础知识
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
积累越多，电场越强……. 当FL与FE相等时的电场为EH（约10-12～10-14 s ），相应的电势 为霍尔电势UH。
3、霍尔效应的定量描述：
大量实验得：霍尔电场EH与外加电流J和磁场B成正比，表示
为：
B
RH为霍尔系数
FL
d
v FE
b
I UH
l
4、霍尔系数描述
若电子都以均一速度- v，那么在
B
b、d元件尺寸，ρ电阻率， αs散热系数, ⊿T=Tj-T室温 4. 乘积灵敏度KH：在单位控制电流IC、单位B作用下器件输出端开 路时的霍尔电压（单位为V/A·T）。
第四章
磁敏传感器
Magnetic field sensors
4.1 霍尔元件 Hall Cell
4.2 半导体磁阻器件
Semiconductor magnetic–resistance device
4.3 结型磁敏器件
Junction magnetic device
4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件
Magnetic-resistance cell of iron metal film
1、概念：霍尔效应----若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应
强度为B的磁场中，给垂直磁场方向上通有电流时，在垂直于电流 和磁场的方向上产生电场的物理现象。
2、霍尔效应示意图
B
FL
v FE
I UH
若薄片为N型，控制电流I自左向右,多数载流子电子沿与I反向 运动，B使电子受到 Lorentz FL而偏转，在后端面积累，前端面则 缺少电子带正电，前后端面间形成电场
（c）薄膜型
图a ：霍尔片是单晶薄片（如4×2×0.1㎜3），长宽比为2，四个电极，a、b为 输入端，c、d为输出端。 图b：为克服a、b电极短路作用的结构。 图c：元件厚度越小KH越大，薄膜型器件。
2、工艺：蒸发法制硅薄膜时皆为多晶的μ很小，不适合制霍尔元件；
外延法可制单晶硅薄膜霍尔元件。 因GaAs、InAs的μ较大使RH、KH较大，能实现InAs薄膜型高灵敏器件（可将 Si离子注入GaAs中成n型，低温沉积SiO2包封、光刻、腐蚀、焊引线）
R 而
1 qn
，则RH
的表示式：
H
讨论：金属材料，绝缘材料不宜作霍尔元件； 半导体材料
又∵
∴ RH 的表示式：
讨论：金属材料，绝缘材料不宜作霍尔元件；半导体材料
又∵ 电子迁移率大于空穴迁移率，∴ 多用N型半导体材料
5、影响霍尔效应的因素：
(1) 磁场与元件法线的夹角 如磁场与薄片法线有一夹角α（0至 90°），霍尔电势会减小为：
2、外形结构----由霍尔片、四根引线和壳体组成
b
c a
d
b
(a )外形
c
da
(b )结构
(c )符号
c
a
b UH R负L
载
R
d
E (d Fra Baidu bibliotek基本电路
图中a、b线为控制电流端引线，常红色导线； c、d为霍尔输出引线两侧端面的中间点对称地焊，常绿色
壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 图c：电路中用的两种符号。
二、主要技术参数
1. 输入电阻Rin：在室温、零磁场下控制电流电极间的电阻。 2. 输出电阻Rout：在室温、零磁场、无负载情况下输出电极间电阻。 3. 额定控制电流IC：在B=0、25℃、静止空气中功耗产生温升⊿T =10℃时 从电流电极输入的电流。
最大允许控制电流Icm受最高允许使用温度（Tj）的限制(锗元件Tj<80℃， 硅Tj<175℃，砷化镓Tj<250℃)。 用Tj时电损耗等于散热条件计算的Icm。得：
4.5 新型磁传感器
New magnetic sensors
4.1 霍尔元件
4.1.1 霍尔效应 Hall effect 4.1.2 霍尔元件的结构与特性
structure and characteristics
4.1.3 霍尔集成电路
Hall integrated circuit
4.1.4 霍尔元件的应用
application
霍尔元件优点: 输出信号信噪比大、动态范围（UH变化）大； 频率范围宽(一般从直流到数百千赫兹(微波)); 结构简单，体积小，坚固且重量轻，使用方便； 无触点，稳定性好，寿命长，可靠性高，易微型化和集成化 因此，在测量、自动化技术、信息处理等广泛应用。
缺点:转换效率低，受T影响大，要求高精度时必须补偿。
K H IB（3）
式中霍尔系数 RH
1 /(m ne
如果是P型半导体，霍尔系数
3 C 1 )，由材料的掺杂浓度决定；
RH
1 /(m3 pe
C 1 )
K R / d KH 为灵敏度系数， H
H
（单位为V·A-1T-1）
它与材料的掺杂浓度和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强 度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。
作用下所受力：
电场 EH 作用于电子的力：
负号表示电子的受力方向与电场方向相反
电子积累平衡时 FL FE 0
vB U H / b（1）
j 而电流密度： nev
I jbd nevbd（2）
负号表示电子运动速度方向与电流方向相反
将（2）中v代入（1）得：
UH
IB ned
RH
IB d
在I恒定时可用元件测量磁场，B恒定时检测电流；
当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时UH反映磁场变化，可测微小位 移、压力、机械振动等。
4.1.2 霍尔元件的结构与特性
一、结构----基于霍尔效应原理的元件1、原理结构：分为体型和薄膜型。
d
d
d 霍尔片
a
b
c （a）体型
a
b
c （b）改进型
a
b
绝缘基片 c
∵ 在控制电极面积与其所在侧面面积 (bd)相比较大时对UH有短路作用，UH下降
∴ 离控制电极越近（0和1.0两点）UH 越小，在l/2处UH有最大值。
U H (x )/mV
20 0
b/ l=4
15 0
b/ l=2
10 0 b/ l=1
50
0
0. 5
1. 0
x/l
UH随x的变化曲线
总之，当材料和几何尺寸确定后，UH正比于I和B。 控制I（或B）方向改变时UH方向将改变，但I与B同时改变方向时，UH方向 不变；
f(l/b)
(2) 元件的几何形状对UH的影响 当b加大时，载流子在磁场偏转中的损失会 加大，UH将下降。用形状效应因子f(l/b) 修 正为：
1 .0
0 .5
0 1 .0 2 .0 3 .0 4 .0
l/b
(3) 控制电极对UH的短路作用
以l方向自左向右为x轴，测量UH（x）, 得到不同宽长比元件的曲线。
3、霍尔效应的定量描述：
大量实验得：霍尔电场EH与外加电流J和磁场B成正比，表示
为：
B
RH为霍尔系数
FL
d
v FE
b
I UH
l
4、霍尔系数描述
若电子都以均一速度- v，那么在
B
b、d元件尺寸，ρ电阻率， αs散热系数, ⊿T=Tj-T室温 4. 乘积灵敏度KH：在单位控制电流IC、单位B作用下器件输出端开 路时的霍尔电压（单位为V/A·T）。
第四章
磁敏传感器
Magnetic field sensors
4.1 霍尔元件 Hall Cell
4.2 半导体磁阻器件
Semiconductor magnetic–resistance device
4.3 结型磁敏器件
Junction magnetic device
4.4 铁磁性金属薄膜磁阻元件
Magnetic-resistance cell of iron metal film
1、概念：霍尔效应----若将金属或半导体薄片垂直置于磁感应
强度为B的磁场中，给垂直磁场方向上通有电流时，在垂直于电流 和磁场的方向上产生电场的物理现象。
2、霍尔效应示意图
B
FL
v FE
I UH
若薄片为N型，控制电流I自左向右,多数载流子电子沿与I反向 运动，B使电子受到 Lorentz FL而偏转，在后端面积累，前端面则 缺少电子带正电，前后端面间形成电场
（c）薄膜型
图a ：霍尔片是单晶薄片（如4×2×0.1㎜3），长宽比为2，四个电极，a、b为 输入端，c、d为输出端。 图b：为克服a、b电极短路作用的结构。 图c：元件厚度越小KH越大，薄膜型器件。
2、工艺：蒸发法制硅薄膜时皆为多晶的μ很小，不适合制霍尔元件；
外延法可制单晶硅薄膜霍尔元件。 因GaAs、InAs的μ较大使RH、KH较大，能实现InAs薄膜型高灵敏器件（可将 Si离子注入GaAs中成n型，低温沉积SiO2包封、光刻、腐蚀、焊引线）
R 而
1 qn
，则RH
的表示式：
H
讨论：金属材料，绝缘材料不宜作霍尔元件； 半导体材料
又∵
∴ RH 的表示式：
讨论：金属材料，绝缘材料不宜作霍尔元件；半导体材料
又∵ 电子迁移率大于空穴迁移率，∴ 多用N型半导体材料
5、影响霍尔效应的因素：
(1) 磁场与元件法线的夹角 如磁场与薄片法线有一夹角α（0至 90°），霍尔电势会减小为：
2、外形结构----由霍尔片、四根引线和壳体组成
b
c a
d
b
(a )外形
c
da
(b )结构
(c )符号
c
a
b UH R负L
载
R
d
E (d Fra Baidu bibliotek基本电路
图中a、b线为控制电流端引线，常红色导线； c、d为霍尔输出引线两侧端面的中间点对称地焊，常绿色
壳体是非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 图c：电路中用的两种符号。
二、主要技术参数
1. 输入电阻Rin：在室温、零磁场下控制电流电极间的电阻。 2. 输出电阻Rout：在室温、零磁场、无负载情况下输出电极间电阻。 3. 额定控制电流IC：在B=0、25℃、静止空气中功耗产生温升⊿T =10℃时 从电流电极输入的电流。
最大允许控制电流Icm受最高允许使用温度（Tj）的限制(锗元件Tj<80℃， 硅Tj<175℃，砷化镓Tj<250℃)。 用Tj时电损耗等于散热条件计算的Icm。得：
4.5 新型磁传感器
New magnetic sensors
4.1 霍尔元件
4.1.1 霍尔效应 Hall effect 4.1.2 霍尔元件的结构与特性
structure and characteristics
4.1.3 霍尔集成电路
Hall integrated circuit
4.1.4 霍尔元件的应用
application
霍尔元件优点: 输出信号信噪比大、动态范围（UH变化）大； 频率范围宽(一般从直流到数百千赫兹(微波)); 结构简单，体积小，坚固且重量轻，使用方便； 无触点，稳定性好，寿命长，可靠性高，易微型化和集成化 因此，在测量、自动化技术、信息处理等广泛应用。
缺点:转换效率低，受T影响大，要求高精度时必须补偿。
K H IB（3）
式中霍尔系数 RH
1 /(m ne
如果是P型半导体，霍尔系数
3 C 1 )，由材料的掺杂浓度决定；
RH
1 /(m3 pe
C 1 )
K R / d KH 为灵敏度系数， H
H
（单位为V·A-1T-1）
它与材料的掺杂浓度和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强 度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。
作用下所受力：
电场 EH 作用于电子的力：
负号表示电子的受力方向与电场方向相反
电子积累平衡时 FL FE 0
vB U H / b（1）
j 而电流密度： nev
I jbd nevbd（2）
负号表示电子运动速度方向与电流方向相反
将（2）中v代入（1）得：
UH
IB ned
RH
IB d
在I恒定时可用元件测量磁场，B恒定时检测电流；
当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时UH反映磁场变化，可测微小位 移、压力、机械振动等。
4.1.2 霍尔元件的结构与特性
一、结构----基于霍尔效应原理的元件1、原理结构：分为体型和薄膜型。
d
d
d 霍尔片
a
b
c （a）体型
a
b
c （b）改进型
a
b
绝缘基片 c
∵ 在控制电极面积与其所在侧面面积 (bd)相比较大时对UH有短路作用，UH下降
∴ 离控制电极越近（0和1.0两点）UH 越小，在l/2处UH有最大值。
U H (x )/mV
20 0
b/ l=4
15 0
b/ l=2
10 0 b/ l=1
50
0
0. 5
1. 0
x/l
UH随x的变化曲线
总之，当材料和几何尺寸确定后，UH正比于I和B。 控制I（或B）方向改变时UH方向将改变，但I与B同时改变方向时，UH方向 不变；
f(l/b)
(2) 元件的几何形状对UH的影响 当b加大时，载流子在磁场偏转中的损失会 加大，UH将下降。用形状效应因子f(l/b) 修 正为：
1 .0
0 .5
0 1 .0 2 .0 3 .0 4 .0
l/b
(3) 控制电极对UH的短路作用
以l方向自左向右为x轴，测量UH（x）, 得到不同宽长比元件的曲线。