霍尔传感器

霍尔式传感器是利用霍尔效应把被测信号转换成电势变化信号的传感器。第4章霍尔传感器背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用霍尔效应1879年由JohnsHopkins大学的研究生EdwinHall发现,其导师是HenryA.Rowland教授.是在探索“电”与“磁”的相互影响的过程中偶然发现的。只观察到现象，而不能解释该现象。“论磁铁对电流的新作用”发表在《美国数学杂志》上。这种“新作用”就是后来被人们称作的“霍耳效应”。EdwinHall(1855-1938)HenryAugustusRowland(1848-1901)背景知识1978年KlausvonKlitzing在极低温度和强磁场（凝聚态）中的半导体中研究霍尔效应，意外发现霍尔常数的跃变。直到1980年,KlausvonKlitzing才注意到霍尔平台的量子化单位。1985年,KlausvonKlitzing因对量子霍尔效应的突出贡献获诺贝尔物理奖.KlausvonKlitzing(1943--)背景知识1982年,受到KlausvonKlitzing研究成果的影响，崔琦(Princeton),H.L.Stormer(Columbia)与RobertLaughlin(Stanford)在更低温度和更强磁场下验证霍尔效应，意外的发现了新的霍尔平台。1983年,R.B.Laughlin写下了一个波函数,对这种现象给出了很好的解释。1998年，诺贝尔物理奖授予HorstStormer,崔琦和RobertLaughlin,以表彰他们发现分数量子霍尔效应及对这一新效应的深刻理解.崔琦(1939--)Stormer(1949--)Laughlin(1950--)背景知识科学研究工作有继承性、偶然性。以史为鉴，继往开来持之以恒，变偶然为必然背景知识背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用①霍尔效应霍尔效应：把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流I，在薄片垂直方向施加磁感应强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势。HU霍尔效应的工作原理1820年，安培（法国化学家、物理学家、数学家）发现了安培力，总结为左手定则。习题：由N型半导体材料和P型半导体材料制成的霍尔元件各一块，若激励电流和施加磁场完全相同，则两个霍尔电势的方向：A.相同B.相反C.不确定问题2什么材料最适合制作霍尔元件？问题3如何提高霍尔元件的灵敏度？与霍尔效应相关的几个问题：问题1为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的时间？自由电子在磁场的作用下做定向运动，受洛仑兹力作用：LFeB霍尔电场作用于电子的力HHFeE霍尔电场HHUEb②霍尔电势霍尔效应的工作原理当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：HLFFHeEeB霍尔电势：HUBb通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n，电子运动速度v，薄片横截面积b*d有关：Inebd霍尔电势与电子运动速度ν、霍尔片宽度b、磁感应强度B呈正比关系？代入后：HHHIBIBUBbRKIBnedd霍尔常数与材料有关（量子霍尔效应）1HRne霍尔灵敏度与薄片尺寸有关HHRKd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μ来表示，指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。ρ为材料电阻率。霍尔电势与激励电流I、磁感应强度B呈正比关系，与霍尔片厚度d、呈反比关系，还与材料特性有关。载流体的电阻率与霍尔系数和载流子迁移率之间的关系为HR可以看出1）霍尔电压UH与材料的性质有关。材料的ρ、μ大，RH就大2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。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。3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关，UH正比于I及B，当控制电流恒定时，B愈大，UH愈大，当磁场方向改变时，UH也改变方向。同样，当霍尔灵敏度RH及磁感应强度恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电压的输出。问题1几个问题的回答：为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的时间？问题2什么材料最适合制作霍尔元件？问题3如何提高霍尔元件的灵敏度？理论的突破（微电子理论）、材料的发展（从导体到半导体）1HRne•绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用；•金属材料电子浓度很高，故RH很小，UH很小。•半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。•增大霍尔常数RH，选用高性能材料；•减小厚度d，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。HHRKd背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用霍尔元件的主要技术指标①霍尔元件的结构和符号霍尔元件是利用霍尔效应（常温常态）制作的元器件。问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？霍尔元件示意图三极直插式三极直插式四极直插式三极贴片式②霍尔元件的材料霍尔元件的主要技术指标问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？首先，需要性能优越的材料。禁带宽度（eV）迁移率（cm2V-1S-1）300K0K电子空穴InSb0.170.23800001250InAs0.340.4233000460GaAs1.421.528500400Si1.121.171500450Ge0.660.74390019001HRneHHRKd③霍尔元件的性能指标霍尔元件的主要技术指标问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？其次，需要良好的线性度和稳定性。额定激励电流IH:使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。热阻RQ:它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为C／mW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。输入电阻Ri:它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(20±5℃)的环境温度中测取。输出电阻Rs:它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20±5℃)的条件下测取。霍尔元件的主要技术指标:不等位电势当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势(或零位电势)。寄生直流电势当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？不等位电势U0产生的原因：（1）制造工艺不可能保证将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（2）霍尔片电阻率不均匀或厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？寄生直流电势：当控制磁场为零，激励电流用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流电势与交流电势之和。在此情况下，直流电势称为寄生直流电势；交流电势称为交流不等位电势。寄生直流电势产生的原因是电极与基片间存在非欧姆接触（接触不良），以及两个霍尔电极焊点大小不同而导致的直流温差电势。电极与基片之间的接触电势电极之间的温差电势产生原因不同不等位电势－－电极安装不对称、半导体材料不均匀寄生直流电势－－接触电势、温差电势表现形式不同不等位电势－－与激励电流相关寄生直流电势－－与激励电流不相关补偿方法不同不等位电势－－补偿较为容易寄生直流电势－－难于完全补偿问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？问题5的回答问题6如何有效补偿这两种电势？不等位电势的补偿霍尔元件可以等效为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。理想的霍尔元件：R1＝R2；R3＝R4不等位电势补偿的本质：R’1＝R’2；R’3＝R’4问题6如何有效补偿这两种电势？寄生直流电势的补偿：减去固定值。背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用霍尔元件的温度特性及补偿HHHIBIBUBbRKIBnedd1HRneHHRKd一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。①温度误差产生机理HioRRRd主要影响因素：选用温度系数小的霍尔元件（RH小）采用适当的补偿电路采用恒流源供电（消除Ri的影响）采用恒流源供电，合理选取负载电阻RL的阻值（补偿RH与Ro影响）采用恒压源和输入回路串联电阻（开路工作，与Ro无关，补偿RH、Ri）采用温度补偿元件（全面补偿）霍尔元件的温度特性及补偿②如何减小温度误差HioRRRd主要影响因素：温度对霍尔元件的参数影响：000(1)(1)(1)HtHitiotoRRTRRTRRTΔT：温度变化量；α：霍尔电势的温度系数；β：霍尔元件输入输出电阻的温度系数。霍尔元件的温度特性及补偿③恒流源激励时的补偿HLLLoBIRRUdRR温度为To时00(1)(1)HLLtLoRTRUBIdRRT0LtLUU）（10oLRR为使负载上的电压不随温度而变化，应使即得000(1)(1)(1)HtHitiotoRRTRRTRRT000HLLLoRRUBIdRR温度为To＋ΔT时RL应该具有良好的温度稳定性。温度对霍尔元件的参数影响：000(1)(1)(1)HtHitiotoRRTRRTRRTΔT：温度变化量；α：霍尔电势的温度系数；β：霍尔元件输入输出电阻的温度系数。霍尔元件的温度特性及补偿③恒压源激励时的补偿HLRUBUdRiR温度为To时0LtLUU为使霍尔电势不随温度而变化，应使即得000(1)(1)(1)HtHitiotoRRTRRTRRT000HLiRUBUdRR温度为To＋ΔT时R应该具有良好的温度稳定性。00(1)(1)HLtiRTUBUdRTR0()iRR习题：某霍尔片的霍尔温度系数α＝0.0005（1/℃），霍尔电阻温度系数β＝0.004（1/℃），输出电阻120Ω，输入电阻100Ω，额定电流20mA，请采用合适的方法进行温度补偿，并画出电路图。背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用乘法作用：指当霍尔传感器的KH恒定时，霍尔电压与控制电流及外加磁场磁感应强度的乘积成正比。可用于乘法、功率等方面的计算与测量。霍尔传感器及应用霍尔传感器是利用霍尔元件制成的测量装置。HHHIBIBUBbRKIBneddHK传递电阻基准（量子霍尔效应）IU电流比例性：磁场强度恒定时，霍尔电压和控制电流之间的关系。BIS磁场比例性:指控制电流恒定时，霍尔电压和磁场之间的关系。可以测量磁场、位移等。*霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔元件测量铁心气隙的B值①霍尔传感器用以测量磁场霍尔特斯拉计（高斯计）②霍尔传感器用以测量电流线性霍尔IC开环型闭环型点阵式空芯霍尔电流传感器③霍尔传感器用以测量位移④霍尔传感器用以测量压力压力产生形变，形变转换成位移。④霍尔传感器用以测量转速开关型霍尔元件霍尔转速传感器示意图汽车ABS系统背景知识霍尔效应的工作原理霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的温度特性及补偿霍尔传感器及应用问题1为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的时间？问题2什么材料最适合制作霍尔元件？问题3如何提高霍尔元件的灵敏度？问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？如何有效补偿不等位电势与寄生直流电势电势？