醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座

（一）霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直于薄片）中，當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH。這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。當(dāng)通以電流

I

時(shí)，半導(dǎo)體中電子受到磁場(chǎng)中洛侖茲力洛侖茲力FL作用，其大小為在FL作用下，電子發(fā)生偏移，在半導(dǎo)體后端積聚負(fù)電荷，前端則為正電荷，形成電場(chǎng)。一、霍爾傳感器工作原理及特征醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第1頁(yè)靜電場(chǎng)對(duì)電子作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為當(dāng)FL

＋FE＝0時(shí)，電子積累到達(dá)動(dòng)平衡，即所以設(shè)流過(guò)霍爾元件電流為I時(shí)，式中bd為與電流方向垂直截面積，n

為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第2頁(yè)RH則被定義為霍爾傳感器霍爾系數(shù)；KH為霍爾元件靈敏度。由上述討論可知，霍爾元件靈敏度不但與元件材料霍爾系數(shù)相關(guān)，還與霍爾元件幾何尺寸相關(guān)。普通要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度公式可知，霍爾元件厚度d與KH成反比。式中所以因?yàn)榧偃绱艌?chǎng)和薄片法線有α角，那么醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第3頁(yè)霍爾元件

基于霍爾效應(yīng)工作半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件

在薄片長(zhǎng)度方向兩端面上焊有兩根引線（圖中a，b線），稱為控制電流端引線，通慣用紅色導(dǎo)線；在薄片另兩側(cè)端面中間以點(diǎn)形式對(duì)稱地焊有兩根霍爾輸出端引線（圖中c，d線），通慣用綠色導(dǎo)線。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第4頁(yè)（二）霍爾元件電磁特征

①UH–I特征

在磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾輸出電勢(shì)UH與控制電流I之間呈線性關(guān)系，如圖所表示，直線斜率稱為控制電流靈敏度，用k1表示

k1=(UH/I)B恒定代入能夠得到k1=kHB

所以，霍爾元件靈敏度系數(shù)kH越大，其k1也越大。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第5頁(yè)

②UH-B特征

當(dāng)控制電流一定時(shí)，霍爾元件開(kāi)路輸出隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增加并不是完全成線性關(guān)系，只有當(dāng)B小于0.5T時(shí)，UH–B

線性度才比很好。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第6頁(yè)

③R-B

特征

R-B特征是指霍爾元件輸入（或輸出）電阻與磁場(chǎng)之間關(guān)系，霍爾元件內(nèi)阻隨磁場(chǎng)絕對(duì)值增加而增大，這種現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)。

對(duì)某種速度運(yùn)動(dòng)電子，若霍爾電場(chǎng)作用力恰好抵消洛倫茲力，電子沿直線運(yùn)動(dòng)；小于此速度電子將沿霍爾電場(chǎng)作用方向偏轉(zhuǎn)；而大于此速度電子將沿洛倫茲力方向偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)將沿控制電流電場(chǎng)方向電流密度減小，也就是因?yàn)榇艌?chǎng)存在增加了元件內(nèi)阻。這就是磁阻效應(yīng)物理本質(zhì)。

醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第7頁(yè)(二)霍爾元件誤差和賠償

1.不等電勢(shì)U0及賠償

零位誤差是霍爾元件在不加磁場(chǎng)或不加控制電流時(shí)產(chǎn)生霍爾電壓，而不等位電勢(shì)U0是主要零位誤差。不等位電勢(shì)是因?yàn)樵敵鰳O焊接不對(duì)稱、厚薄不均勻以及兩個(gè)輸出電極接觸不良等原因造成。以下列圖(a)所表示。

醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第8頁(yè)除工藝上盡可能使霍爾電極對(duì)稱來(lái)降低U0，還需采取賠償電路加以賠償。下列圖給出幾個(gè)慣用賠償方法。通常在某一橋臂上并上一定電阻而將U0降到最小，甚至為零。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第9頁(yè)2、寄生直流電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)分量，稱寄生直流電勢(shì)。3、感應(yīng)零電勢(shì)霍爾元件在交流或脈動(dòng)磁場(chǎng)中工作時(shí)，即使不加控制電流，霍爾端也會(huì)有輸出，這個(gè)輸出就是感應(yīng)零電勢(shì)。它是因?yàn)榛魻栯姌O引線布置不合理而造成。

4、自激場(chǎng)零電勢(shì)當(dāng)霍爾元件通以控制電流時(shí)，此電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)稱為自激場(chǎng)。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第10頁(yè)(二)霍爾元件溫度誤差及其賠償因?yàn)檩d流子濃度等隨溫度改變而改變，所以會(huì)造成霍爾元件內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度改變而改變。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生改變相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽略誤差。針對(duì)溫度改變?cè)斐蓛?nèi)阻(輸入、輸出電阻)改變，能夠采取適當(dāng)賠償電路。

(1)采取恒流源供電，輸入回路并聯(lián)電阻進(jìn)行賠償為了減小誤差，最好采取恒流源提供控制電流，但仍有溫度誤差。設(shè)溫度t0時(shí)，元件靈敏度系數(shù)為，輸入電阻為，而溫度上升到t時(shí)醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第11頁(yè)t0時(shí)t時(shí)所以為了使霍爾電勢(shì)不隨溫度而改變，必須確保t0和t時(shí)霍爾電勢(shì)相等，即。則可得所以選擇輸入回路并聯(lián)電阻RP，可使溫度誤差減到極小。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第12頁(yè)(2)利用輸出回路負(fù)載進(jìn)行賠償

右圖是輸出賠償基本線路。輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間關(guān)系為

負(fù)載RL

上電壓UL

為賠償電阻RL

上電壓隨溫度改變最小極值條件為

，故

醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第13頁(yè)霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器可制作成如圖(a)所表示結(jié)構(gòu)。在極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同兩個(gè)磁鋼氣隙間放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)控制電流I恒定不變時(shí)，霍爾電勢(shì)UH與外磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向改變梯度dB/dx，如圖(b)所表示為一常數(shù)時(shí)，則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，霍爾電勢(shì)改變也應(yīng)是一個(gè)常數(shù)K（位移傳感器輸出靈敏度）：即UH∝Kx

。這說(shuō)明霍爾電勢(shì)與位移量成線性關(guān)系。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度越好。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第14頁(yè)當(dāng)載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，其電阻會(huì)隨磁場(chǎng)而改變，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。當(dāng)溫度恒定時(shí)，在磁場(chǎng)中，磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度B平方成正比。假如器件只有在電子參加導(dǎo)電情況下，理論推導(dǎo)出來(lái)磁阻效應(yīng)方程為：第四節(jié)磁敏電阻式傳感器一、磁敏電阻式傳感器醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第15頁(yè)電阻率相對(duì)改變能夠看出，在磁感應(yīng)強(qiáng)度Ｂ一定時(shí)，遷移率越高材料（如InSb、InAs、NiSb等半導(dǎo)體材料）磁阻效應(yīng)越顯著。從微觀上講，材料電阻率增加是因?yàn)殡娏髁鲃?dòng)路徑因磁場(chǎng)作用而加長(zhǎng)所致。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第16頁(yè)磁阻元件主要特征1.靈敏度特征磁敏電阻靈敏度普通是非線性，且受溫度影響較大。磁阻元件靈敏度特征用在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下電阻改變率來(lái)表示，即磁場(chǎng)—電阻改變率特征曲線斜率。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第17頁(yè)2.電阻—溫度特征半導(dǎo)體磁阻元件溫度特征不好。元件電阻值在不大溫度改變范圍內(nèi)減小很快。所以，在應(yīng)用時(shí)，普通都要設(shè)計(jì)溫度賠償電路。溫度（℃）020150504080100電阻（Ω）10060醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第18頁(yè)磁敏二極管P型和N型電極由高阻材料制成，在P、N之間有一個(gè)較長(zhǎng)本征區(qū)I。本征區(qū)I一面磨成光滑無(wú)復(fù)合表面（I區(qū)），另一面打毛，設(shè)置成高復(fù)合區(qū)（r區(qū))。（一）磁敏二極管二、磁敏二極管和磁敏三極管1.磁敏二極管結(jié)構(gòu)+－（a）結(jié)構(gòu)（b）符號(hào)P+N+I區(qū)r區(qū)醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第19頁(yè)當(dāng)磁敏二極管末受到外界磁場(chǎng)作用時(shí)，外加正向偏壓后，則有大量空穴從P區(qū)經(jīng)過(guò)I區(qū)進(jìn)入N區(qū)，同時(shí)也有大量電子注入P區(qū)，形成電流。只有少許電子和空穴在I區(qū)復(fù)合掉。P+N+I區(qū)r面2.磁敏二極管工作原理醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第20頁(yè)當(dāng)磁敏二極管受到外界正向磁場(chǎng)作用時(shí)，則電子和空穴受到洛侖茲力作用而向r區(qū)偏轉(zhuǎn)，因?yàn)閞區(qū)電子和空穴復(fù)合速度比光滑面I區(qū)快，所以，形成電流因復(fù)合而減小，電阻增大。P+N+I區(qū)r面H+醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第21頁(yè)當(dāng)磁敏二極管受到外界反向磁場(chǎng)作用時(shí)，電子和空穴受到洛侖茲力作用而向r區(qū)對(duì)面偏移，因?yàn)殡娮雍涂昭◤?fù)合率顯著變小，所以，電流變大，電阻減小。P+N+I區(qū)r面H-醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第22頁(yè)利用磁敏二極管在磁場(chǎng)強(qiáng)度改變下，其電流發(fā)生改變，于是就實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。（a）（b）（c）磁敏二極管工作原理示意圖P+N+I區(qū)r面P+N+I區(qū)r面H+P+N+I區(qū)r面H-醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第23頁(yè)（三）磁敏二極管主要特征

1.磁電特征：在給定條件下，磁敏二極管輸出電壓改變與外加磁場(chǎng)關(guān)系。B/0.1T2.0-1.0-2.00.40.81.21.62.0-0.4-0.8-1.2-1.6-2.01.0ΔU/V在弱磁場(chǎng)下(0.1T一下)輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，曲線趨于飽和。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第24頁(yè)2.伏安特征：磁敏二極管正向偏壓和經(jīng)過(guò)其電流關(guān)系。不一樣磁場(chǎng)強(qiáng)度H作用下，磁敏二極管伏安特征不一樣當(dāng)所加偏壓一定時(shí)，磁場(chǎng)按正方向增加時(shí)，二極管電阻增加，電流減小。在同一磁場(chǎng)下，電流越大，輸出電壓越大。1357921.510.50-0.5-1-1.5-2

U(V)I(mA)醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第25頁(yè)3.溫度特征：在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，輸出電壓改變量隨溫度改變。溫度升高時(shí)，電流急增，電壓降低，磁靈敏度下降，須采取溫度賠償。T/℃020400.20.40.60.81.0E=6VB=0.1T8060-20-5-4-3-2-1IΔUI/mAΔU/V醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第26頁(yè)溫度賠償電路Rm1EU0Rm2RtEU0RmRm1Rm2Rm3Rm4EU0慣用賠償電路:醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第27頁(yè)采取兩支性能靠近磁敏二極管，按相反磁極性組合，即將它們磁敏面相對(duì)或背向放置，溫度不論怎樣改變，兩管分壓比不會(huì)發(fā)生改變，輸出電壓則不隨溫度改變。同時(shí)因?yàn)閮晒芑パa(bǔ)，當(dāng)磁場(chǎng)改變時(shí)，輸出電壓改變量增加，能提升靈敏度。Rm1EU0Rm2醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第28頁(yè)不但能很好實(shí)現(xiàn)溫度賠償，提升靈敏度。電路如不平衡，能夠適當(dāng)調(diào)整橋臂電阻大小。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第29頁(yè)采取兩個(gè)互補(bǔ)電路并聯(lián)方法實(shí)現(xiàn)，溫度特征、對(duì)稱性、靈敏度都好，不過(guò)需要尋找4個(gè)性能相近磁敏二極管。Rm1Rm2Rm3Rm4EU0醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第30頁(yè)1.磁敏三極管結(jié)構(gòu)與工作原理在弱P型本征半導(dǎo)體上用合金法或擴(kuò)散法形成發(fā)射極、基極和集電極?；鶇^(qū)較長(zhǎng)。基區(qū)側(cè)面制成一個(gè)復(fù)合速率很高復(fù)合區(qū)r。長(zhǎng)基區(qū)分為運(yùn)輸基區(qū)和復(fù)合基區(qū)。(二)磁敏三極管工作原理和主要特征(a)結(jié)構(gòu)(b)符號(hào)bcecN+eH-H+bIrN+P+醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第31頁(yè)當(dāng)磁敏三極管末受磁場(chǎng)作用時(shí)，因?yàn)榛鶇^(qū)寬度大于載流子有效擴(kuò)散長(zhǎng)度，大部分載流子經(jīng)過(guò)e-I-b形成基極電流，少數(shù)載流子輸入到c極。因而形成基極電流大于集電極電流情況，使β＜l。工作原理:N+N+eP+xIrbcy醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第32頁(yè)當(dāng)受到正向磁場(chǎng)(H+)作用時(shí)，因?yàn)榇艌?chǎng)作用，洛侖茲力使載流子偏向發(fā)射結(jié)一側(cè)，造成集電極電流顯著下降，當(dāng)反向磁場(chǎng)(H-)作用時(shí)，在H-作用下，載流子向集電極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使集電汲電流增大。N+N+eP+xrbycIN+N+eP+xIrbcH-y醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第33頁(yè)圖7-25磁敏三極管工作原理N+N+eP+xIrbcyH+N+N+eP+xIrbcH-yN+N+eP+xrbycI（a）(b)(c)由此可知、磁敏三極管在正、反向磁場(chǎng)作用下，其集電極電流出現(xiàn)顯著改變。這么就能夠利用磁敏三極管來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)、電流、轉(zhuǎn)速、位移等物理量。醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第34頁(yè)與普通晶體管伏安特征曲線類似。由圖可知，磁敏三極管電流放大倍數(shù)小于1。(1)伏安特征2.磁敏三極管主要特征Ib=0Ib=5mA1.00.80.60.40.20246810Uce/VIc/mAIb=4mAIb=3mAIb=2mAIb=1mAUce/VIb=3mA,B=-0.1T1.00.80.60.40.20246810Ic/mAIb=3mA,B=0Ib=3mA,B=0.1T(1)為不受磁場(chǎng)作用時(shí)(2)磁場(chǎng)為1kGs

基極為3mA醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第35頁(yè)(2)磁電特征磁敏三極管磁電特征是應(yīng)用基礎(chǔ)，右圖為國(guó)產(chǎn)NPN型3BCM(鍺)磁敏三極管磁電特征，在弱磁場(chǎng)作用下，曲線靠近一條直線。-3-2-112345B/0.1TΔIc/mA0.50.40.30.20.1圖7-273BCM磁敏三極管磁電特征醫(yī)用傳感器專題知識(shí)專家講座第36頁(yè)(3)溫度特征及其賠償磁敏三極管對(duì)溫度比較敏感，使用時(shí)必須進(jìn)行溫度賠償。對(duì)于鍺磁敏三極管如3ACM、3BCM，其磁靈敏度溫度系數(shù)為0.8％/0C