【正文】 第八章 固態(tài)傳感器 以半導(dǎo)體、電解質(zhì)、鐵電體等為敏感材料，在力、磁、熱、射線、氣體、濕度等因素作用下引起 材料物理特性變化 ，通過檢測其物理特性變化，來反映被測參數(shù)值。建立在這一原理基礎(chǔ)上的傳感器稱為固態(tài)傳感器 。 固態(tài)傳感器主要包括：磁敏傳感器、光敏傳感器、電荷耦合器件、氣體傳感器、濕度傳感器等等。 167。 81 霍爾磁敏傳感器 ?霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛的應(yīng)用。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 ?霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。 ?按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為 :直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出被檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個(gè)磁場作為被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)換成電量來進(jìn)行檢測和控制。 一、霍爾效應(yīng) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。在兩端截面之間建立的電場稱為霍爾電場 EH， 相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢 UH。 + I + + + + + － － － － － － Ｂ L b d 霍爾效應(yīng)原理圖 UH fL v fE 設(shè)霍爾片的長度為 L， 寬度為 b， 厚度為 d。又設(shè)電子以均勻的速度 v運(yùn)動 ， 則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的作用下 ， 它受到 洛侖茲力 e—電子電量 ( 1019C)； v—電于運(yùn)動速度。 同時(shí) ， 作用于電子的 電場力 二、霍爾磁敏傳感器工作原理 beUeEf HHE /??beUe v B H /?當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡（ fE+fL=0）時(shí) + I + + + + + － － － － － － Ｂ L b d 霍爾效應(yīng)原理圖 UH fL v fE Lf e v B??dn e v bdjbI ?????dn e bIv ??? /p e dIBU H /?霍爾電勢 UH與 I、 B的乘積成正比 ， 而與 d成反比 。 于是可改寫成： dIBRUHH ???HR電流密度 j=nev n—N型半導(dǎo)體中的電子濃度 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 — 霍爾系數(shù) ，由載流材料物理性質(zhì)決定。 ρ — 材料電阻率 p—P型半導(dǎo)體中的空穴濃度 ????? 型）（ Nen1RH ??μ — 載流子遷移率 ,μ =v/E,即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。 n e dIBU H /??設(shè) KH=RH / d RH — 霍爾系數(shù)， KH稱為霍爾器件的靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用下，霍爾電勢的大小。 IBKdIBRU HHH ???? ▲ 對于金屬而言， ，由于金屬電子濃度很高，所以它的霍爾系數(shù)或靈敏度都很小，因此不適合制作霍爾元件。 ▲元件的厚度 d越小，靈敏度越高，因而制作霍爾元件時(shí)可采取減小 d的方法來增加靈敏度，但是不能認(rèn)為 d越小越好，因?yàn)檫@樣會導(dǎo)致元件的輸入和輸出電阻增加。 為電子電量）為電子密度， enen1R H (? 若磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為 θ時(shí)，霍爾電 勢 應(yīng)為： UH＝ KH I B cosθ 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向換向時(shí)，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)換向時(shí)，霍爾電勢并不改變方向。 霍爾片一般采用 N型鍺 (Ge)、銻化銦 (InSb)和砷化銦 (InAs)等半導(dǎo)體材料制成。采用砷化銦材料作霍爾元件的比較多。 霍爾元件的結(jié)構(gòu)比較簡單，它由霍爾片，引線和殼體組成，如右圖所示。 在短邊的兩個(gè)端面上焊出兩根控制 電流端引線 (圖中的 1’)，在長邊中 點(diǎn)以點(diǎn)焊形式焊出兩根霍爾電勢輸出 端引線 (圖中的 2’)，焊點(diǎn)要求接觸 電阻小 (即歐姆接觸 )。 霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。 三、材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在電路中，霍爾元件常用下圖所示的符號 表示： 霍爾元件的命名法： 霍爾元件的基本測量電路如下圖所示： 控制電流由電源 E供電， R為調(diào)整電阻，以保證元件中得到所需要的控制電流?；魻栞敵龆私迂?fù)載 RL， RL可以是一般電阻，也可是放大器輸入電阻或表頭內(nèi)阻等 . 四、測量電路 UH— I特性 當(dāng)磁場恒定時(shí)，在一定溫度下測定控制電流 I與霍爾電勢UH， 可得到良好的線性關(guān)系，如下圖所示： 五、電磁特性 其直線的斜率稱為控制電流靈敏度，以符號 KI表示： 據(jù)霍爾元件的計(jì)算公式，可得： 可見，靈敏度 KH大的元件，其控制電流靈敏度一般也很大。 UH— B特性 當(dāng)控制電流保持不變時(shí)，元件的開路霍爾輸出隨磁場強(qiáng)度的增加不完全呈線性關(guān)系，而有非線性偏離。如下圖所示： 六、誤差分析及其補(bǔ)償方法 1．元件幾何尺寸及電極焊點(diǎn)的大小對性能的影響 在霍爾電勢的表達(dá)式中，是將霍爾片的長度 L看作無窮大來考慮的。實(shí)際上，霍爾片只有一定的長寬比 L／ b，存在著霍爾電場被控制電流極短路的影響，因此應(yīng)在霍爾電勢的表達(dá)式中，增加一項(xiàng)與元件幾何尺寸有關(guān) 的系數(shù)。這樣 (8－ 10)式可寫成如下 形式 : 形狀系數(shù) fH(L/b)與長寬比 L/b之間的關(guān)系如右圖所示。由圖可知，當(dāng) L／ b＞ 2時(shí)，形狀系數(shù)接近 1。因此為了提高元件的靈敏度，可適當(dāng)增大 L／ b值，但是實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)取 L／ b＝ 2已經(jīng)足夠了，因?yàn)?L／ b過大反而使輸入功耗增加了，以致降低元件的效率。 2． 不等位電勢 U0及其補(bǔ)償 不等位電勢是產(chǎn)生零位誤差的主要因素。由于制做霍爾元件時(shí)，不可能保證將霍爾電極焊在同一等位面上，如圖所示： 因此 當(dāng)控制電流 I 流過元件時(shí)，即使磁感應(yīng)強(qiáng)度等于零，在霍爾電勢極上仍有電勢存在，該電勢稱為 不等位電勢 U0。在分析不等位電勢時(shí)，可 把霍爾元件等效為一個(gè)電橋 ，如上圖所示。電橋的四個(gè)橋臂電阻分別為 r r r3和 r4。若兩個(gè)霍爾電勢極在同一等位面上，此時(shí) r1 ＝ r2 ＝ r3 ＝ r4 ，則電橋平衡，輸出電壓 U0等于零。 當(dāng)霍爾電極不在同一等位面上時(shí)，因 r3增大而 r4減小，則電橋的平衡被破壞，輸出電壓 U0不等于零?；謴?fù)電橋平衡的辦法是減小 r2或 r3 。如果經(jīng)測試確知霍爾電極偏離等電位平面的方向，則可以采用機(jī)械修磨或用化學(xué)腐蝕的方法來減小不等位電勢，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。一般情況下，采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行補(bǔ)償。 3．寄生直流電勢 由于霍爾元件的電極不可能做到完全的 歐姆接觸 ，在控制電流極和霍爾電勢極上都可能出現(xiàn)整流效應(yīng)。因此， 當(dāng)元件在不加磁場的情況下通入交流控制電流時(shí)，它的輸出除了交流不等電勢外，還有一直流分量 ，這個(gè)直流分量稱為： 寄生直流電勢 。其大小與工作電流有關(guān)，隨著工作電流的減小，直流電勢將迅速減小。 產(chǎn)生寄生直流電勢的原因，除上面所說的 因控制電流極和霍爾電勢極的 歐姆接觸不良 ， 霍爾電勢極的焊點(diǎn)大小不同 ，導(dǎo)致兩焊點(diǎn)的熱容量不同而產(chǎn)生溫差效應(yīng)，也是形成直流附加電勢的一個(gè)原因。 寄生直流電勢 很容易使輸出產(chǎn)生漂移， 為了減少其影響 ，在元件的制作和安裝時(shí)， 應(yīng)盡量改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件。 4．感應(yīng)電勢 霍爾元件在交變磁場中工作時(shí) ， 即使不加控制電流 ， 由于霍爾電勢的 引線布局不合理 ， 在輸出回路中也會 產(chǎn)生附加感應(yīng)電勢 ， 其大小不僅 正比于磁場的變化頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的幅值 ，并與 霍爾電勢極 引線所構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比 (如下圖所示 )。 為了減小感應(yīng)電勢，除合理布線外，如下圖所示，還可以在磁路中安置另一輔助霍爾元件，如果兩個(gè)元件的特性相同，可以起到顯著的補(bǔ)償效果。 5．溫度誤差及其補(bǔ)償 霍爾元件與一般半導(dǎo)體器件一樣，對溫度變化十分敏感。這是由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率、載流子濃度等隨溫度變化的緣故。因此， 霍爾元件的性能參數(shù) ，如內(nèi)阻、霍爾電勢等 都將隨溫度變化 。 為了減小霍爾元件的溫度誤差， 除選用溫度系數(shù)小的元件(如砷化銦 )或采用恒溫措施外，還可采用恒流源供電 ，這樣可以減小元件內(nèi)阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化。 但采用恒流源供電不能完全解決霍爾電勢的穩(wěn)定問題，因此還應(yīng)采用其它補(bǔ)償方法 ，如采用下圖的補(bǔ)償線路： 在控制電流極并聯(lián) — 個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電阻 r0，當(dāng)溫度升高時(shí)，霍爾元件的內(nèi)阻迅速增加，使通過元件的電流減小，而通過 r0的電流增加。 利用元件內(nèi)阻的溫度特性和補(bǔ)償電阻，可自動調(diào)節(jié)霍爾元件的電流大小，從而起到補(bǔ)償作用。 ▲補(bǔ)償電阻 r0的選擇： 設(shè)在某一基準(zhǔn)溫度 T0時(shí)，有： I —— 恒流源輸出電流 。 IH0—— 溫度為 T0時(shí)，霍爾元件的控制電流 。 I0 —— 溫度為 T0時(shí)， r0上通過的電流 。 R0—— 溫度為 T0時(shí)，霍爾元件的內(nèi)阻； r0—— 溫度為 T0時(shí)，補(bǔ)償電阻值。 000000rIRIIIIHH???當(dāng)溫度上升為 T時(shí)，可得： 式中 R— 溫度為 T時(shí)，霍爾元件的內(nèi)阻， R=R0(1+βt)， β是 霍爾元件的溫度系數(shù)， t＝ T－ T0 r — 溫度為 T時(shí)，補(bǔ)償電阻值， r=r0(1+δt)， δ是 補(bǔ)償 電阻的溫度系數(shù) IrRrIrIIRIrIRIIIIHHHHH00000000000000)(。?????????IrRrI H??trRrRttTKBItKBIKUBIKUHHHHHHHHH???????????000000HH0H0000001)1)(1(TUUTTK)1(TT??????上式，可得：勢表達(dá)式代入】時(shí)的控制電流、霍爾電、將溫度為＝滿足：則應(yīng)爾電勢不隨溫度變化，設(shè)溫度補(bǔ)償后，輸出霍度系數(shù)－霍爾元件靈敏度的溫時(shí)，霍爾元件的靈敏度、溫度分別為—、式中時(shí)，霍爾電勢為當(dāng)溫度為時(shí)，霍爾電勢為：當(dāng)溫度為便可求出。補(bǔ)償電阻確定后，、內(nèi)阻補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)、