第7章 磁敏传感器.ppt

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霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量,也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段,正越来越受到人们的重视,应用日益广泛。
一、霍尔效应
置于磁场中的静止载流导体或半导体,当它的电流方向和磁场方向不一致时,载流导体上垂直于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电动势称霍尔电势,载流导体(多为半导体)称霍尔元件。霍尔效应是导体中的载流子在磁场中受洛仑磁力作用发生横向漂移的结果。
霍尔效应原理图
+
I
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
B
L
d
d
UH
如图,在与磁场垂直的半导体薄片上通电流I,假设载流子为电子(N型半导体材料),它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用,电子将向一侧偏转(如虚线箭头方向),并使改侧形成电子积累。而另一侧形成正电荷积累,元件的横向形成电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移,当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时,电子积累达到动态平衡。这时,在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH,相应的电势称为霍尔电势UH。
设霍尔片的长度为L,宽度为b,厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动,则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下,它受到洛仑兹力
e—电子电量(×10-19C);v—电子运动速度。
当达到动态平衡时
同时,作用于电子的电场力
负号表示电子运动方向与电流方向相反。
则电流强度I可表示为:
同理,若霍尔元件为P型半导体,则
p:单位体积中的空穴数。
二、霍尔系数和灵敏度
RH称为霍尔系数,其大小反映出霍尔效应的强弱。
一般,电子的迁移率大于空穴的迁移率,因此,制作霍尔元件时多采用N型半导体材料。
KH称为元件的灵敏度,它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小,其单位(mV/mA·T)。
上式说明:
(1)金属电子浓度很高,所以它的霍尔系数或灵敏度都很小,因此不适宜制作霍尔元件;
(2)元件的厚度d越小,灵敏度越高,因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度。但不是d越小越好,这会导致元件的输入和输出电阻增加。
若磁感应强度B的方向与霍尔片平面法线夹角为θ时,如P127,图8-2所示,此时实际作用于霍尔片的有效磁场是其法线方向的分量,即Bcosθ,其霍尔电势为:
UH=KHIBcosθ
注意:当控制电流的方向或磁场方向改变时,输出霍尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时,霍尔电势并不改变方向。
通常应用时,霍尔片两端加的电压为E,如果将霍尔电势中的电流I改写成E,可使计算方便,根据
由上式可知,适当地选择材料迁移率(μ)及霍尔片的宽长比(b/L),可以改变霍尔电势UH值。
(2)电极焊点大小对性能的影响
霍尔电极的大小对霍尔电势的输出也存在一定的影响,如P130图8-10所示。按理想元件的要求,控制电流的电极应与霍尔元件是良好的面接触,而霍尔电极与霍尔元件为点接触。实际上,霍尔电极有一定的宽度,它对元件的灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明,当时,电极宽度的影响可忽略不计。