DOC《第7章》

第7章 霍尔传感器 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.本章在介绍霍尔元件的基本工作原理、结构和主要技术指标的基础上,讨论测量电路及温度补偿方法;

最后介绍霍尔传感器的应用. 7.1 霍尔元件工作原理 霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件,它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的.所谓霍尔效应是指置于磁场中的导体或半导体中通入电流时,若电流与磁场垂直,则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差. 图7.1 霍尔效应原理图 图7.1所示为一个N型半导体薄片.长、宽、厚分别为L、l、d,在垂直于该半导体薄片平面的方向上,施加磁感应强度为B的磁场.在其长度方向的两个面上做两个金属电极,称为控制电极,并外加一电压U,则在长度方向就有电流I流动.而自由电子与电流的运动方向相反.在磁场中自由电子将受到洛仑兹力FL的作用,受力的方向可由左手定则判定,即使磁力线穿过左手掌心,四指方向为电流方向,则拇指方向就是多数载流子所受洛仑兹力的方向.在洛仑兹力的作用下,电子向一侧偏转,使该侧形成负电荷的积累,另一侧则形成正电荷的积累.所以在半导体薄片的宽度方向形成了电场,该电场对自由电子产生电场力FE,该电场力FE对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反,即阻止自由电子的继续偏转.当电场力与洛仑兹力相等时,自由电子的积累便达到了动态平衡,这时在半导体薄片的宽度方向所建立的电场称为霍尔电场,而在此方向的两个端面之间形成一个稳定的电势,称霍尔电势UH.上述洛仑兹力FL的大小为 FL=eB 式中,FL为洛仑兹力(N);

e为电子电量,等于1.602*10-19C;

为电子速度(m/s);

B为磁感应强度(Wb/m2). 电场力的大小为 FE=eEH=e 式中,FE为电场力(N);

EH为霍尔电场强度(V/m);

UH为霍尔电势(V);

l为霍尔元件宽度(m). 当FL=FE时,达到动态平衡,则eB 经简化,得UH=・B・l (7.1) 对于N型半导体,通入霍尔元件的电流可表示为 I=neld (7.2) 式中,d为霍尔元件厚度(m);

n为N型半导体的电子浓度(1/m3). 由式(7.2)得(7.3) 将式(7.3)代入式(7.1)得(7.4) 式中,,

为霍尔元件的乘积灵敏度;

,为霍尔灵敏系数. 由式(7.4)知,霍尔电势与KH、I、B有关.当I、B大小一定时,KH越大,UH越大.显然,一般希望KH越大越好. 而乘积灵敏度KH与n、e、d成反比关系.若电子浓度n较高,使得KH太小;

若电子浓度n较小,则导电能力就差.所以,希望半导体的电子浓度n适中,而且可以通过掺杂来获得所希望的电子浓度.一般来说,都是选择半导体材料来做霍尔元件.此外,对厚度d选择得越小,KH越高;

但霍尔元件的机械强度下降,且输入/输出电阻增加.因此,霍尔元件不能做得太薄. 式(7.4)是在磁感应强度B与霍尔元件成垂直条件下得出来的.若B与霍尔元件平面的法线成一角度?,则输出的霍尔电势为 (7.5) 上面讨论的是N型半导体,对于P型半导体,其多数载流子是空穴.同样也存在着霍尔效应,用空穴浓度p代替电子浓度n,同样可以导出P型霍尔元件的霍尔电势表达式为 UH=KHIB 或UH=KHIBcos? 式中,KH=. 注意:采用N型或P型半导体,其多数载流子所受洛仑兹力的方向是一样的,但它们产生的霍尔电势的极性是相反的.所以,可以通过实验判别材料的类型.在霍尔传感器的使用中,若能通过测量电路测出UH,那么只要已知B、I中的一个参数,就可求出另一个参数. 7.2 霍尔元件的基本结构和主要特性参数 7.2.1 基本结构 用于制造霍尔元件的材料主要有Ge(锗)、Si(硅)、InAs(砷化铟)和InSb(锑化铟)等.采用锗和硅材料制作的霍尔元件,具有霍尔灵敏系数高,加工工艺简单的特点,它们的霍尔灵敏系数分别为4.25*103和2.25*103(单位cm3/C).采用砷化铟和锑化铟材料的霍尔元件,它们的霍尔系数相对要低一些,分别为350和1 000,但它们的切片工艺好,采用化学腐蚀法,可将其加工到10um,且具有很高的霍尔灵敏系数.