【正文】 第 3章 半導(dǎo)體傳感器 磁敏式傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為體型和結(jié)型兩大類，前者有霍爾傳感器，其材料主要有 InSb． InAs， Ge， Si， GaAs等和磁敏電阻 (InSb，InAs)；后者有磁敏二極管 (Ge,Si)、磁敏晶體管 (Si)。磁敏傳感器的應(yīng)用范圍可分為模擬用途和數(shù)字用途兩種。例如利用霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，用磁敏電阻、磁敏二極管作無接觸式開關(guān)等。 霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器 ， 有普通型 、高靈敏度型 、 低溫度系數(shù)型 、 測(cè)溫測(cè)磁型和開關(guān)式的霍爾元件 。 由于霍爾傳感器具有靈敏度高 、 線性度好 、 穩(wěn)定性高 、 體積小和耐高溫等特件應(yīng)用于非電量測(cè)量 、 自動(dòng)控制 、 計(jì)算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域 。 磁敏式傳感器 1． 霍爾效應(yīng) 長(zhǎng)為 L、 寬為 b、 厚為 d的 導(dǎo)體 （ 或半導(dǎo)體 ） 薄片 ， 被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的磁場(chǎng)中 （ 平面與磁場(chǎng)垂直 ） ， 在與磁場(chǎng)方向正交的兩邊通以控制電流 I， 則在導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流 I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 乘積成正比的電勢(shì) UH， 且 UH＝ KHIB， 其中 KH為霍爾元件的靈敏度 。 這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng) ， 該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì) ， 導(dǎo)體薄片就是霍爾元件 。 IHU I 2． 工作原理 霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中自由電荷受洛侖茲力作用而產(chǎn)生的 。 設(shè)霍爾元件為 N型半導(dǎo)體 ， 當(dāng)它通以電流 I 時(shí) ， 半導(dǎo)體中的電子受到磁場(chǎng)中洛侖茲力 FL的作用 ， 其大小為 式中 υ為電子速度， B 為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在 FL 的作用下，電子向垂直于 B 和 υ的方向偏移，在器件的某一端積聚負(fù)電荷，另一端面則為正電荷積聚。 電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力為 FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為 IHUI式中 EH為霍爾電場(chǎng)， e為電子電量， UH為霍爾電勢(shì)。當(dāng) FL = FE時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)平衡，即 所以 。設(shè)流過霍爾元件的電流為 I 時(shí)， 式中 bd為與電流方向垂直的截面積， n 為單位體積內(nèi)自由電子數(shù) (載流子濃度 )。則 令 則 KH為霍爾元件的靈敏度 。 由上述討論可知 ， 霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān) ， 還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān) 。 一般要求霍爾元件靈敏度越大越好 ， 霍爾元件靈敏度的公式可知 ， 霍爾元件的厚度 d與 KH成反比 。 RH則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度大于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導(dǎo)體霍爾系數(shù)大于導(dǎo)體。 3．霍爾系數(shù)及靈敏度 令 則 二 、 霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù) 1． 額定功耗 P0 霍爾元件在環(huán)境溫度 T＝ 25℃ 時(shí) ， 允許通過霍爾元件的控制電流 I 和工作電壓 V 的乘積即為額定功耗 。 一般可分為最小 、 典型 、最大三檔 ， 單位為 mw。 當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后 ， 根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流 I 。 有些產(chǎn)品提供額定控制電流和電壓 ， 不給出額定功耗 。 2． 輸入電阻 Ri和輸出電阻 R0 Ri是指流過控制電流的電極 （ 簡(jiǎn)稱控制電極 ） 間的電阻值 ，R0是指霍爾元件的霍爾電勢(shì)輸出電極 （ 簡(jiǎn)稱霍爾電極 ） 間的電阻 ，單位為 Ω。 可以在無磁場(chǎng)即 B＝ 0時(shí) ， 用歐姆表等測(cè)量 。 3． 不平衡電勢(shì) U0 在額定控制電流 I 之下 ， 不加磁場(chǎng)時(shí) ， 霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)稱為不平衡 (不等 )電勢(shì) ， 單位為 mV。 不平衡電勢(shì)和額定控制電流 I 之比為不平衡電阻 r0。 4． 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) α 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下 ， 溫度變化 1℃ 時(shí) ， 霍爾電勢(shì)變化的百分率稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) α， 單位為 1／ ℃ 。 5．內(nèi)阻溫度系數(shù) β 霍爾元件在無磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化 1℃ 時(shí)，輸入電阻只 Ri與輸出電阻 R0變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù) β，單位為 1／ ℃ 。一般取不同溫度時(shí)的平均值。 6．靈敏度 KH 其定義向前述。有時(shí)某些產(chǎn)品給出無負(fù)載時(shí)靈敏度（在某一控制電流和一定強(qiáng)度磁場(chǎng)中、霍爾電極間開路時(shí)元件的靈敏度）。 三 、 霍爾元件連接方式和輸出電路 1． 基本測(cè)量電路 控制電流 I由電源 E供給 ， 電位器 W調(diào)節(jié)控制電流 I的大小 。 霍爾元件輸出接負(fù)載電阻 RL， RL可以是放大器的輸入電阻或測(cè)量?jī)x表的內(nèi)阻 。 由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)與控制電流作用下 ， 才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì) UH， 所以在測(cè)量中 ， 可以把 I 與 B 的乘積 、 或者 I， 或者 B 作為輸入情號(hào) ， 則霍爾元件的輸出電勢(shì)分別正比于 IB 或 I 或 B。 2．連接方式 為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì) ， 可以采用幾片疊加的連接方式 。 下圖 (a)為直流供電 ， 控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián) 。 下圖 (b)為交流供電 ， 控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出 。 3． 霍爾電勢(shì)的輸出電路 霍爾器件是一種四端器件 ， 本身不帶放大器 。 霍爾電勢(shì)一般在毫伏量 級(jí)，實(shí)際使用中必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測(cè)量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有如右圖所示兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)霍爾元件作線性測(cè)量時(shí)，最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不平衡電勢(shì) U0小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。 例如 ， 選用 KH＝ 5mV/mAkGs， 控制電流為 5mA的霍爾元件作線性測(cè)量元件測(cè)量 1Gs～ 10kGs的磁場(chǎng) ， 則霍爾器件最低輸出電勢(shì) UH為 UH＝ 5mV/mAkGs 5mA 103kGs＝ 25μV 最大輸出電勢(shì)為 UH＝ 5mV/mAkGs 5mA 10kGs＝ 250mV 故要選擇低噪聲 、 低漂移的放大器作為前級(jí)放大 。 當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時(shí) ， 要選擇靈敏度高的霍爾器件 。 例如 ， KH＝ 20mV/mAkGs， 如果控制電流為 2mA， 施加一個(gè) 300Gs的磁場(chǎng) ， 則輸出霍爾電勢(shì)為 UH＝ 20mV/mAkGs 2mA 300G s＝ 120mV 這時(shí)選用一般的放大器即可滿足 。 四 、 霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償方法 霍爾元件在實(shí)際應(yīng)用時(shí) ， 存在多種因素影響其測(cè)量精度 ， 造成測(cè)量誤差的主要因素有兩類：一類是半導(dǎo)體固有特性；另一類為半導(dǎo)體制造工藝的缺陷 。 其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差 。 1． 零位誤差及補(bǔ)償方法 零位誤差是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí) ， 而出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位誤差 。 不平衡電勢(shì) U0是主要的零位誤差 。 因?yàn)樵诠に嚿想y以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上 。如下圖 (a)所示 。 當(dāng)控制電流 I流過時(shí) ， 即使末加外磁場(chǎng) ， A、 B兩電極此時(shí)仍存在電位差 ， 此電位差被稱為不等位電勢(shì) （ 不平衡電勢(shì) ） U0。 下圖給出幾種常用的補(bǔ)償方法。為了消除不等位電勢(shì)，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，如下圖 (a)所示，或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)如下圖 (b)、 (c)所示的電阻。 2． 溫度誤差及其補(bǔ)償 由于載流子濃度等隨溫度變化而變化 ， 因此會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻 、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化 。 這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同 。 而且溫度高到一定程度 ， 產(chǎn)生的變化相當(dāng)大 。 溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差 。 針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻 (輸入 、 輸出電阻 )的變化 ， 可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償 。 (1)利用輸出回路并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償 在輸入控制電流恒定的情況下 ， 如果輸出電阻隨溫度增加而增大 ，霍爾電勢(shì)增加；若在輸出端并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電阻 RL， 則通過霍爾元件輸出電阻輸出電阻 （ 內(nèi)阻 ） R0的電流增大 ， 內(nèi)阻壓降亦增大增大 ， 輸出電壓將會(huì)減小 。 只要適當(dāng)選據(jù)補(bǔ)償電阻 RL， 就可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。 在溫度影響下，元件的輸出電阻從 Rt0變到 Rt，輸出電阻 Rt和電勢(shì)UHt應(yīng)為 Rt＝ Rt0 (1+βt) ； UHt＝ UHt0 (1+αt) 式中 β、 α為霍爾元件的輸出電勢(shì)UHt和輸出電阻 Rt的溫度系數(shù) 。 此時(shí) RL上的電壓則為 補(bǔ)償電阻 RL上電壓隨溫度變化最小的條件為 因此當(dāng)知道霍爾元件的 β、 α及 Rt0時(shí) ， 便可以計(jì)算出能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)碾娮?RL的值 。 因該指出 ， 這種補(bǔ)償方法 ， 不能完全消除溫度誤差 。 (2)利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償 霍爾元件的控制回路用穩(wěn)壓電源 E供電 ， 其輸出端處于開路工作狀態(tài) ，當(dāng)輸入回路串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮?R時(shí) ， 霍爾電勢(shì)隨溫度的變化可得到補(bǔ)償 。 當(dāng)溫度增加時(shí)，霍爾電勢(shì)的增加值為 ΔUH = UHt0αt；另一方面，元件的輸入電阻隨溫度的增加值為 ΔRi = Rit0βt。用穩(wěn)壓源供電時(shí)，控制電流和 輸出電勢(shì) 的減小量為 )1(0 00 tRR tRII it itt ?????? )1( )1(000 tRR ttRUU ititHH ??? ?? ????全補(bǔ)償條件： ?????HH UU ???? )1()( 0 tRR it ???在霍爾元件的 β、 α為已知的條件下 ， 即可求得 R與 Rt0的關(guān)系 。 但是 ， R仍然是溫度 t的函數(shù) 。 實(shí)際的補(bǔ)償電路如上圖 (c)所示 。 調(diào)節(jié)電位器 W1可以消除不等位電勢(shì) 。 電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成 ， 在某一橋臂電阻上并聯(lián)熱敏電阻 Rt。 當(dāng)溫度變化時(shí) ， 熱敏電阻將隨溫度變化而變化 ， 使補(bǔ)償電橋的輸出電壓 UH相應(yīng)變化 ， 只要仔細(xì)調(diào)節(jié) ， 即可使其輸出電壓 UH與溫度基本無關(guān) 。 磁敏電阻器 磁敏電阻器是基于磁阻效應(yīng)的磁敏元件 。 磁敏電阻的應(yīng)用范圍比較廣 ， 可以利用它制成磁場(chǎng)探測(cè)儀 、 位移和角度檢測(cè)器 、 安培計(jì)以及磁敏交流放大器等 。 一 、 磁阻效應(yīng) 當(dāng)一載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中 ， 其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而變化 ， 這種現(xiàn)象被稱為磁阻效應(yīng) 。 當(dāng)溫度恒定時(shí) ， 在磁場(chǎng)內(nèi) ， 磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 的平方成正比 。 如果器件只有在電子參與導(dǎo)電的簡(jiǎn)單情況下