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1、三、霍尔式传感器 Hall sensor 霍尔式传感器是利用霍尔效应原理将被测量如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 优点: 结构简单，体积小，坚固；频响范围宽（从直流到微波），动态范围大；使用寿命长,可靠性高；易微型化和集成电路化。 缺点：转换效率较低；受温度影响大。,1.工作原理霍尔效应,霍尔效应Hall effect 金属或半导体薄片置于磁感应强度为的磁场中，当有电流通过时，在垂直于电磁场的方向上将产生电动势，这一物理现象称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。 霍尔效应在高纯度半导体中表现很显著，以半导体材料制成的霍尔式传感器已广泛用于很多领域中。,电流密度 ，其中
2、n为N型半导体中的电子浓度,负号表示电子运动速度方向与电流方向相反。所以通过半导体的电流的大小为：,电子运动的速度为 ：,与半导体材料的物理性质和几何尺寸有关。,物理意义：表示在单位磁感应强度和单位 控制电流时霍尔元件输出的霍尔电势的大小。,当载流材料和几何尺寸确定后， 的大小正比于控制电流和磁感应强度，即：,因此可用于测量磁场（I恒定），检测电流（B恒定），还可制成各种运算器（I、B均作为变量，可作乘法器、功率计等）。当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，将反映磁场的变化，由此可用于检测微小位移、压力和机械振动等。,2.霍尔元件（材料、结构）,基于霍尔效应工作的半导体器件称霍尔元件。其外形、
3、结构如图示。 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。,a,b,c,d,长度方向的两端面上焊有两根引线（图中a,b）作为控制电流端引线，焊接处称控制电极（激励电极）,要求接触电阻要小并呈纯电阻。 另两侧端面的中间以点的形式对称焊有两根霍尔电势输出端引线，焊接处称霍尔电极，要求欧姆接触，电极的宽度与霍尔片的长度之比要小于0.1，电极位于1/2处,此时霍尔电势为最大值。 霍尔元件的壳体用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。,霍尔元件外形、结构和符号,霍尔元件最常用的材料有： 锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等 锑化铟材料霍尔系数大，但对温度最敏感，受温度影响较大
4、； N型锗容易加工制造，其霍尔系数，温度性能和线性度都较好； 砷化铟霍尔系数较小，受温度的影响比锑化铟要小（温度系数较小）且线性度较好。 时多采用锑化铟材料。,3.霍尔元件的电磁特性,（1）,指控制电流与霍尔电势之间的关系。当磁场恒定，在一定环境温度下，控制电流与霍尔电势之间呈线性关系。,指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场 B 之间的关系。,实验结果显示， 霍尔元件的内阻 随磁场绝对值的 增加而增加，此 现象称为磁阻效 应。,磁阻效应产生机理,利用磁阻效应制作的元件磁阻元件,可用来测量磁感应强度等许多非电量。 磁阻效应的大小除与材料中载流子的迁移率有关（迁移率愈大，磁阻效应愈显著）外，还与元
5、件的几何形状有密切关系，如长宽比愈小，磁阻效应愈大。 作为霍尔式传感器，其磁阻效应的存在会使霍尔输出降低，特别在强磁场时，输出降低较多，必要时需采用一定的方法予以补偿。,4.霍尔元件的误差及其补偿,霍尔元件主要误差及补偿方法包括两个方面： （1）霍尔元件的零位误差及其补偿,不等位电势及其补偿,当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时，其霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势称为不等位电势。,产生原因： 制造工艺不可能保证两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上； 霍尔片电阻率及厚薄不均匀； 控制电极接触不良。,产生不等位电势示意图,补偿方法： 工艺上采取措施，尽量使
6、霍尔电极对称 采用补偿电路,霍尔元件等效电路为一个四臂电桥，因此可在某一桥臂并上一定电阻将其降到最小，甚至为零。图为几种不等位电势的补偿电路，其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好。,霍尔元件符号及等效电路,X,不等位电势的补偿,（a)不对称补偿,（b）对称补偿,寄生直流电势 当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除交流不等位电势外，还存在一个直流电势分量，为寄生直流电势。它随时间变化，会导致输出漂移。 产生原因： 两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应； 两个霍尔电极的焊点大小不等，热容量不同，引起温差所产生。 对此在元件制作和安装时，尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良
7、好的散热条件来予以补偿。,感应零电势及其补偿 霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流，霍尔端也会有输出，此即感应零电势。 它是由于霍尔电极的引线布置不合理造成的。它的大小正比于磁场变化频率、磁感应强度的幅值以及霍尔电极引线所构成的感应面积。其补偿方法见图。,感应零电势及其补偿,自激场零电势 当霍尔元件通以控制电流时，此电流会产生磁场自激场，当电流引线处于两端面中间时不影响霍尔输出，反之会有自激场零电势输出。 控制电流引线需合理安排以消除该电势的影响。,（2）霍尔元件的温度误差及其补偿,霍尔元件由半导体材料制成，而半导体材料的电阻率，迁移率及载流子浓度等都随温度变化，因此霍尔元件的性
8、能参数如输入和输出电阻，霍尔常数会随温度变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。砷化铟材料温度系数最小。,方法有： 采用恒流源供电，输入回路并联电阻 合理选择负载电阻的阻值 采用恒压源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件,5.霍尔传感器的应用 UH=f(B) (I恒定)可用于测量恒定或交变 磁场； UH=f(I) (B恒定)可用于测量电流； UH=f(B.I) 可作为乘法器、功率计应用； 霍尔式位移传感器 保持霍尔元件的控制电流恒定，使霍尔元件在一个均匀的梯度磁场中沿X方向移动，可构成霍尔式位移传感器。,霍尔位移传感器,磁场梯度越大，灵敏度越高 磁场梯度越均匀，输出线性越好,测量范围：1 2 m
9、m,6、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管、三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换元件。它们具有磁灵敏度高（磁灵敏度比霍耳元件高数百甚至数千倍）；能识别磁场的极性；体积小、电路简单等特点，因而正日益得到重视；并在检测、控制等方面得到普遍应用。,（1）磁敏二极管,磁敏二极管结构 与普通二极管的区别： 普通二极管PN结的基区很短，以避免载流子在基区里复合，磁敏二级管的PN结却有很长的基区，大于载流子的扩散长度，但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的。,以2ACM1A为例，该磁敏二级管的结构是P+iN+型。在本征导电高纯度锗的两端，用合金法制成高掺杂的P区和N区，并在本征区（i
10、区）的一侧设置高复合区（r区），与r 区相对的另一侧保持光滑无复合表面，这就构成了磁敏二极管的管芯。其符号含义，结构和电路符号如图。,-,磁敏二极管的工作原理,当磁敏二极管的P区接电源正极，N区接电源负极，即外加正偏压时，随着磁敏二极管所受磁场的变化，流过二极管的电流也在变化，即二极管等效电阻随着磁场的不同而不同。 为什么磁敏二极管会有这种特性呢? 下面作一下分析。,磁场H = 0： 少量电子和空穴 在 I 区、r区复合,正向磁场 H+ ： 电子和空穴偏向 r 区， 电流因复合增大而减小,反向磁场 H- ： 电子和空穴偏向 I 区， 电流因复合减少而增大,结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生
11、正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场作用下，可获得较大的输出电压。若r区和r区之外的复合能力之差越大，磁敏二极管的灵敏度就越高。 磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变。,主要特性： 伏安特性 在给定磁场情况下，磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流的关系曲线。,磁电特性 给定条件下，磁敏二极管输出电压变化量与外加磁场的间的变化关系。,弱磁场（小于0.1T）下，输出电压与磁场强度成正比，并随磁场强度的增加趋于饱和。国产磁敏二极管2ACM的磁灵敏度为10v/T。,四种基本电路中，差分接法温度补偿好，互补接法输出对称
12、性好，而桥式接法温度特性、对称性、灵敏度都很好。已有将桥式接法集成化构成集成磁敏传感器。,温度特性 磁敏二极管受温度影响较大，特别当温度升高时，电流急增，电压减小，磁灵敏度下降。,频率特性 硅磁敏二极管的响应时间与载流子的有效寿命相当。硅管的响应时间小于1 ，即响应频率高达1MHz。锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。,(2)磁敏三极管,磁敏三极管的结构 NPN型磁敏三极管是在弱P型近本征半导体上，用合金法或扩散法形成三个结即发射结、基极结、集电结所形成的半导体元件,如图。在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r。长基区分为输运基区和复合基区两部。,当不受磁场作用如图(a)时，由于磁敏
13、三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度，因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外，大部分通过eib而形成基极电流。显而易见，基极电流大于集电极电流。电流放大系数 =IcIb1。 当受到H磁场作用如图（b）时，由于洛仑兹力作用，载流子向发射结一侧偏转，从而使集电极电流明显下降。 当受 磁场作用如图(c)时，载流子在洛仑兹力作用下，向集电结一侧偏转，使集电极电流增大。,磁敏三极管的主要特性 伏安特性,磁电特性 磁敏三极管集电极电流的变化与磁感应强度之间的关系，是磁敏三极管最重要的工作特性。,温度特性 磁敏三极管集电极电流与温度的关系。,对于3BCM磁敏三极管，当采用补偿措施时，其正向灵敏度受温度影
14、响不大。而负向灵敏度受温度影响比较大，主要表现为有相当大一部分器件存在着一个无灵敏度的温度点，这个点的位置由所加基流（无磁场作用时）Ib0的大小决定。当Ib04mA时，此无灵敏度温度点处于+40左右。当温度超过此点时，负向灵敏度也变为正向灵敏度，即不论对正、负向磁场，集电极电流都发生同样性质变化。 因此，减小基极电流，无灵敏度的温度点将向较高温度方向移动。当Ib0=2mA时，此温度点可达50左右。但另一方面，若Ib0过小，则会影响磁灵敏度。所以，当需要同时使用正负灵敏度时，温度要选在无灵敏度温度点以下。,（3）磁敏二极管和磁敏三极管的应用 二者统称为磁敏管，其优点有： 较高的磁灵敏度； 体积、功耗小； 可识别磁极性。 作为一种新型的半导体磁敏感元件有着广阔的应用前景，与霍尔元件相比，其突出优点是磁灵敏度高，用它测量弱磁场（可测10-7T左右的弱磁场）在人体磁信息测量中有一定的应用价值。,
