第8章固态传感器73691

传感器技术主讲人：吴琼水Tel:13307192861QQ：261564789Email:qswuwhu.edu武汉大学电子信息学院光谱成像实验室第8章固态传感器概述第8章固态传感器8.1磁敏传感器8.2光敏传感器8.3电荷耦合器件8.4气体传感器8.5湿度传感器概述8.1磁敏传感器一、霍尔元件(HallComponent)二、磁敏二极管磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。按其结构可分为体型和结型两大类。体型的有霍尔传感器，结型的有磁敏二极管,磁敏晶体管霍尔元件霍尔元件霍尔传感器属于磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号。随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。霍尔元件霍尔元件一、霍尔效应一个金属（导体）薄片或半导体薄片，当在它的两端通过控制电流I并且同时在薄片的垂直方向上加上磁感应强度为B的磁场时，在垂直于电流和磁场的方向上就会产生电动势UH，这种现象叫做霍尔效应。UH就叫做霍尔电动势或霍尔电压。霍尔效应的产生是运动电荷在磁场中受到洛仑兹力作用的结果。一、霍尔效应霍尔元件霍尔效应演示半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。cdab磁感应强度B为零时的情况一、霍尔效应霍尔元件霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab一、霍尔效应霍尔元件所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有qEH=qvB故霍尔电场的强度为EH=vB设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时：FL=qvB设载流子浓度为n，则一、霍尔效应霍尔元件流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=bdvnq得：v=I/nqbd所以：UH=BI/nqd若取RH=1/nq则HHIBURdRH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。一、霍尔效应霍尔元件dRKHH设IBKUHHKH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小.与薄片尺寸有关。单位是mV/（mA·T）1HKnqd一、霍尔效应霍尔元件1HKnqdRH=1/nq灵敏度系数KH与薄片的厚度d呈反比，因此为了提高灵敏度系数，霍尔元件通常都做成很薄的薄片。但并不是越薄越好，太薄会导致输入输出电阻增加。一、霍尔效应霍尔元件讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件:•绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；•金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。•半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。一、霍尔效应霍尔元件磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势。霍尔电势EH可用下式表示：UH=KHIB磁感应强度B较大时的情况讨论：一、霍尔效应霍尔元件磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔电势为UH=KHIBcos结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。讨论：二、结构霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。红色导线，为控制电极；绿色导线，为霍尔电极二、结构霍尔元件霍尔元件的表示符号H两个粗黑边或短边上的引线接控制电流；两个长边上的引线接输出霍尔电势。霍尔电势UH的建立时间极短大约只有小于10-12秒，因此当控制电流用交流时，频率可以达到数千MHZ。二、结构霍尔元件霍尔元件的命名H代表霍尔元件材料：Z=锗，S=砷化铟，T=锑化铟产品序号如：HZ-1，HZ-2等等。二、结构霍尔元件测量电路W1W2UHUH~（a）基本测量电路WUHRLE（b）直流供电输出方式（c）交流供电输出方式三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件1.额定功耗P0在环境温度25°C时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi是指控制电流极之间的电阻值。R0指霍尔元件电极间的电阻。Ri、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件4.霍尔温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1°C时，霍尔电势变化的百分率。tUUUHoHoHt/)（即：)1(tUUHoHt3.不平衡电势U0在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件5.内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1°C时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。tRRRioioit/)（)1(tRRioit即：6.灵敏度)1(tRROoOt或：dRKHH/减小d;选好的半导体材料型号材料控制电流(mA)霍尔电压(mV,0.1T)输入电阻(ΩΩ)输出电阻(ΩΩ)灵敏度(mV/mA.T)不等位电势(mV)VH温度系数(%/℃)EA218InAs1008.531.50.350.50.1FA24InAsP100136.52.40.7510.07VHG-110GaAs55-10200-800200-80030-220VH的20%-0.05AG1Ge20max540302.5_-0.02MF07FZZInSb1040-2908-608-65_±10-2MF19FZZInSb1080-6008-608-65_±10-2MH07FZZInSb1V80-12080-40080-430_±10-0.3MH19FZZInSb1V150-25080-40080-430_±10-0.3KH-400AInSb5250-550240-55050-11050-110010-0.3例：霍尔元件的主要技术参数三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件最大磁感应强度BM线性区三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件最大激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。EH=KHIBcos三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件霍尔集成电路霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型三端霍尔集成电路三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路三、霍尔元件的主要特性参数霍尔元件开关型霍尔集成电路四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件1.零位误差及补偿方法不等位电势霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WABCDWABCD(b)WCABD四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件2.温度误差及补偿(1)利用输入回路串联电阻进行补偿（a）基本电路（b）等效电路EIUHRUHtRt(t)RIUHERi(t)元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图可知：tRRHtH10tRRiit10ittRREIittHHHRREBdRBIdRU对上式求温度的导数，可得增量表达式：00200iiitiHHRRRRRRRBEdRdtdURRRRRRRUiiitiH0022000022000iiitiiHRRRRRRRRREBdR即：由上式可以看出，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使000RRRii0iRR当元件的α、β及内阻Ri0确定后，温度补偿电阻R便可求出。实际应用中，当霍尔元件选定后，其α、β值可以从元件参数表中查出，而元件内阻Ri0则可由测量得到。四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件2.温度误差及补偿（2）利用输出回路的负载进行补偿（a）基本电路（b）等效电路UHIIRLUHtRi(t)Rt(t)RLIUHI霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。这样，可以不考虑输入回路的温度影响。在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：)1()1(00tUUtRRHHtOOt此时，RL上的电压为补偿电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为0dtdULt])[2,,,yxyyxyx（0)1)100tRRtROLO（（0OLRR根据LLOHLtRRtRtUU)1()1(00四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件2.温度误差及补偿（3）利用恒流源进行补偿当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在输入端进行补偿即可。若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件2.温度误差及补偿（4）利用热敏电阻进行补偿对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。（a）输入回路补偿RRt四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件2.温度误差及补偿（4）利用热敏电阻进行补偿（b）输出回路补偿或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。RRLRt四、霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件2.温度误差及补偿(5)利用补偿电桥进行补偿调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt五、霍尔元件的应用霍尔元件如图（8-17）是霍尔位移传感器的磁路原理图。霍尔元件输出电势的变化为：IHHHHdUdUdBRIKUKxdxdxdx当不变时积分得五、霍尔元件的应用霍尔元件补充：霍尔传感器的应用霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数，即UH=KHIBcos。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者