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第九章 半导体磁敏传感器 半导体磁敏传感器 在各种传感器中，磁敏传感器是使用得较早的一种，指南针便是最古老的磁敏传感器。电流通过线圈时，在线圈周围产生磁场，若线圈中的磁通量发生变化，则线圈产生感应电动势，这就是磁电感应现象。因此线圈是将磁量变成电量的最简单的磁电转换元件。如果将磁场加到半导体等材料上，材料的电性质就发生变化，这就是磁电效应。凡是利用磁电效应构成的传感器称为磁电式传感器或磁敏传感器。半导体磁敏传感器是半导体传感器的一种，如霍尔元件、磁阻元件、磁抗元件、磁敏二极管和磁敏三极管。 §9-1　霍尔元件 原理 霍尔式传感器是利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电势，即把位移信号转换成电势变化信号的传感器。 优缺点： 优点： 结构简单，体积小，坚固 频率响应宽，动态范围大 无触点，使用寿命长，可靠性高 易于微型化和集成电路化 缺点： 转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时，必须进行温度补偿。 一、霍尔元件 霍尔元件：直角平行六面体的单晶半导体薄片 材料：锗(Ge)、硅(Si)、砷化铟(InSb)等半导体材料。 霍尔元件组成：半导体薄片和两对电极组成 霍尔元件的符号和基本电路 二、霍尔效应 当输入端加电流I，并在元件平面法线方向加磁感强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生一电势UH，这个电势就是霍尔电势，这种现象就是霍尔效应。 霍尔效应的原因: 任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直方向运动时，会受到磁场力 霍尔电势方向判别： 霍尔电势： 三、霍尔系数及灵敏度 霍尔系数： 灵敏度和霍尔电势 灵敏度： 四、霍尔元件的误差及其补偿 由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。 （一）、霍尔元件的零位误差及其补偿 霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。 1.不等位电动势U0及其补偿 当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势，称为不等位电动势U0。 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，如图5-8a所示。 (2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。 采用补偿电路加以补偿 2.寄生直流电动势 当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。 产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。 （二）、霍尔元件的温度误差及其补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流于浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能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。 采用恒流源供电和输入回路并联电阻 根据式(5-5)选择输入回路并联电阻RP，可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其他性能。 合理选取负载电阻RL的阻值 当霍尔元件接有负载RL（如放大器的输入电阻）时，在RL上的电压为 采用恒流源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件 霍尔元件不等位电势U0的温度补偿 五、霍尔式传感器的应用 根据霍尔电势的表达式，其应用可用于下述三个方面： 控制电流I不变，传感器处于非均匀磁场中，UH?B 。 可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。 磁场不变，即B不变， UH?I。 故凡是能转换成电流变化的各量均能测量。 I、B均变化， UH?I·B。 可用于乘法、功率等方面的计算与测量。 （一）、微位移测量 (a)曲线对应(a)图的磁路结构，其线性范围窄，而且在位移z=0时，UH ? 0。 (b)曲线对应(b)图， 当z=0时，B=0，故 UH=0。当z?0时，UH?0，其值决定于B的大小。这种结构UH与B具有良好线性，且分辨力较高，可达10-6m；另外两块磁钢越短，磁场梯度越大，灵敏度越高。 (c)曲线对应(c)图，磁场梯度很大，所以它的灵敏度很高，但它的测量位移量很小，一般z??0.5m