传感器:第八章固态传感器.ppt
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1、 第八章第八章 固态传感器固态传感器 固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因素作用发生变化,这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化,这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化,这一原理做成的传感器。这类传素作用发生变化,这一原理做成的传感器。这类传感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。与其它传感器相比有以下特点:与其它传感器相
2、比有以下特点:与其它传感器相比有以下特点:与其它传感器相比有以下特点:1.1.基于物性变化,无运动部件,结构简单,体基于物性变化,无运动部件,结构简单,体基于物性变化,无运动部件,结构简单,体基于物性变化,无运动部件,结构简单,体积小;积小;积小;积小;2.2.动态响应好、且输出为电量;动态响应好、且输出为电量;动态响应好、且输出为电量;动态响应好、且输出为电量;3.3.易于集成化、智能化;易于集成化、智能化;易于集成化、智能化;易于集成化、智能化;4.4.低功耗、安全可靠;低功耗、安全可靠;低功耗、安全可靠;低功耗、安全可靠;主要缺点有:线性度差、温漂大、过载能力差、主要缺点有:线性度差、温
3、漂大、过载能力差、主要缺点有:线性度差、温漂大、过载能力差、主要缺点有:线性度差、温漂大、过载能力差、性能参数离散性大。性能参数离散性大。性能参数离散性大。性能参数离散性大。一、霍尔元件一、霍尔元件一、霍尔元件一、霍尔元件(一)霍尔效应(一)霍尔效应(一)霍尔效应(一)霍尔效应 如图,在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图,在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图,在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流如图,在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I I,垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压垂直于电流方向出现电压U UH H,这一现象称为霍尔效应。,这一现象称为霍尔效应。,这
4、一现象称为霍尔效应。,这一现象称为霍尔效应。8.1 8.1 磁敏传感器磁敏传感器 半导体中形成电流的定向移动电荷,受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷,受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷,受洛仑兹力半导体中形成电流的定向移动电荷,受洛仑兹力作用,产生偏移,电荷受到的洛仑兹力作用,产生偏移,电荷受到的洛仑兹力作用,产生偏移,电荷受到的洛仑兹力作用,产生偏移,电荷受到的洛仑兹力由于电荷偏移产生霍尔电场,霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场,霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场,霍尔电场对电荷的作用由于电荷偏移产生霍尔电场,霍尔电场对电荷的作用力为力为力为力为随着电荷在洛仑
5、兹力作用下偏转,霍尔电场加强,最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转,霍尔电场加强,最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转,霍尔电场加强,最随着电荷在洛仑兹力作用下偏转,霍尔电场加强,最终达到动态平衡,两力值相等,即终达到动态平衡,两力值相等,即终达到动态平衡,两力值相等,即终达到动态平衡,两力值相等,即又因为又因为又因为又因为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为于是电流强度可表示为代入前面式子得代入前面式子得代入前面式子得代入前面式子得(二)霍尔系数和灵敏度(二)霍尔系数和灵敏度(二)霍尔系数和灵敏度(二)霍尔系数和灵敏度设设设设 ,则上式变为,则上式变为,则上式变为,则上式变为 称
6、为霍尔系数,由材料性质决定。称为霍尔系数,由材料性质决定。称为霍尔系数,由材料性质决定。称为霍尔系数,由材料性质决定。由电阻率公式由电阻率公式由电阻率公式由电阻率公式 ,得,得,得,得一般电子的迁移率大于空穴的迁移率,因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率,因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率,因此多采用一般电子的迁移率大于空穴的迁移率,因此多采用N N型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。型半导体材料作为霍尔元件。定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度定义霍尔元件灵敏度于是于是于是于是由前面公式可看出:由前面公式可看出:由前面
7、公式可看出:由前面公式可看出:1.1.由于金属的电子浓度很高,它的霍尔系数很小,不由于金属的电子浓度很高,它的霍尔系数很小,不由于金属的电子浓度很高,它的霍尔系数很小,不由于金属的电子浓度很高,它的霍尔系数很小,不适合制作霍尔元件;适合制作霍尔元件;适合制作霍尔元件;适合制作霍尔元件;2.2.元件厚度越小,灵敏度越高;元件厚度越小,灵敏度越高;元件厚度越小,灵敏度越高;元件厚度越小,灵敏度越高;当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度当磁感应强度与霍尔平面法线成角度 时,霍时,霍时,霍时,霍尔电压为尔电压为尔电压为尔电压为 通常霍尔元件使
8、用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为通常霍尔元件使用时两端加的电压为E E ,将前面,将前面,将前面,将前面公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式公式中的电流改写为电压更方便。根据电阻公式上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为上面霍尔电压公式可写为(三)材料及结构特点(三)材料及结构特点(三)材料及结构特点(三)材料及结构特点 霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用N N型锗(型锗(型锗(型锗(GeGe)、锑
9、化铟)、锑化铟)、锑化铟)、锑化铟(InSbInSb)和砷化铟()和砷化铟()和砷化铟()和砷化铟(InAsInAs)。锑化铟元件霍尔电压输)。锑化铟元件霍尔电压输)。锑化铟元件霍尔电压输)。锑化铟元件霍尔电压输出大,但受温度影响也大;锗输出小,温度性能和线出大,但受温度影响也大;锗输出小,温度性能和线出大,但受温度影响也大;锗输出小,温度性能和线出大,但受温度影响也大;锗输出小,温度性能和线性较好。性较好。性较好。性较好。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。霍尔元件结构参见下图。(四)基本电路形式(四)基本电路形式(四)基本电路形式(四)基本电路形式 基本电路图
10、见右基本电路图见右基本电路图见右基本电路图见右图。图。图。图。2007.10.25JGLX303-2007.10.25JGLX303-(五)电磁特性(五)电磁特性(五)电磁特性(五)电磁特性1.1.U UH HI I 特性特性特性特性 当磁场恒定时,在一定温度下控制电流当磁场恒定时,在一定温度下控制电流当磁场恒定时,在一定温度下控制电流当磁场恒定时,在一定温度下控制电流I I与霍尔电与霍尔电与霍尔电与霍尔电压压压压U UH H的关系,称为的关系,称为的关系,称为的关系,称为U UH HI I 特性。参见下图。特性。参见下图。特性。参见下图。特性。参见下图。定义定义定义定义U UH HI I 特
11、性直线的特性直线的特性直线的特性直线的斜率为控制电流灵敏度,斜率为控制电流灵敏度,斜率为控制电流灵敏度,斜率为控制电流灵敏度,即即即即由前面公式得由前面公式得由前面公式得由前面公式得2.U2.UH H B B特性特性特性特性 当控制电流恒定时,元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时,元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时,元件开路霍尔电压与磁感应当控制电流恒定时,元件开路霍尔电压与磁感应强的的关系,称为强的的关系,称为强的的关系,称为强的的关系,称为U UH H B B特性。通常特性。通常特性。通常特性。通常U UH H B B 关系不关系不关系不关系不完全是线性关系。参见完全是线性关系。
12、参见完全是线性关系。参见完全是线性关系。参见下图。下图。下图。下图。(六)误差分析及其补偿方法(六)误差分析及其补偿方法(六)误差分析及其补偿方法(六)误差分析及其补偿方法1.1.元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在前面公式推导中,在前面公式推导中,在前面公式推导中,在前面公式推导中,假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度假设霍尔片的长度L L为无为无为无为无限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有限长。实际上霍尔片具有一定的长宽比
13、一定的长宽比一定的长宽比一定的长宽比 。实。实。实。实际上,霍尔电压与际上,霍尔电压与际上,霍尔电压与际上,霍尔电压与 相关,前面公式应表示为相关,前面公式应表示为相关,前面公式应表示为相关,前面公式应表示为 称为元件的形状称为元件的形状称为元件的形状称为元件的形状系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。系数。其曲线参见右图。霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响,参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响,参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响,参见下霍尔电极的大小对霍尔电压也存在影响,参见下图。当霍尔电极的宽度与长度比图。当霍尔电极的宽度与长度比图。当霍尔电极的宽度与
14、长度比图。当霍尔电极的宽度与长度比 时,电极时,电极时,电极时,电极宽度的影响可以忽略。宽度的影响可以忽略。宽度的影响可以忽略。宽度的影响可以忽略。2.2.不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿 在霍尔元件制造过程中,不可能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中,不可能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中,不可能保证两个霍尔电在霍尔元件制造过程中,不可能保证两个霍尔电极安装在等势面上,因此当控制电流流过元件时,即极安装在等势面上,因此当控制电流流过元件时,即极安装在等势面上,因此当控制电流流过元件时,即极安装在等势面上,因此当控制电流流过元件时,即使磁感应强度为零,
15、在霍尔电极上仍有电压输出,该使磁感应强度为零,在霍尔电极上仍有电压输出,该使磁感应强度为零,在霍尔电极上仍有电压输出,该使磁感应强度为零,在霍尔电极上仍有电压输出,该电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥,电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥,电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥,电压称为不等位电势。霍尔元件可以等效为一电桥,参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为不等位电势可以采用补偿网络进行补偿。下面为常见的补偿电路。常见的补偿电路。常见的补偿
16、电路。常见的补偿电路。3.3.寄生直流电势寄生直流电势寄生直流电势寄生直流电势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触,由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触,由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触,由于霍尔元件的电极不可能做到完全欧姆接触,在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元在控制电流和霍尔电极上都可能出现整流效应。当元件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时,件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时,件在磁感应强度为零的情况下输入交流控制电流时,件在磁感应强度为零的情况下输入
17、交流控制电流时,它的输出除了交流不等位电势外,还有一直流分量,它的输出除了交流不等位电势外,还有一直流分量,它的输出除了交流不等位电势外,还有一直流分量,它的输出除了交流不等位电势外,还有一直流分量,该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有该直流分量称为寄生直流电势。其大小与工作电流有关,随工作电流减小,直流电势将迅速减小。关,随工作电流减小,直流电势将迅速减小。关,随工作电流减小,直流电势将迅速减小。关,随工作电流减小,直流电势将迅速减小。4.4.感应电势感应电势感应电势感应电势 霍尔元件在交变
18、磁场中工作时,即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时,即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时,即使不加控制电霍尔元件在交变磁场中工作时,即使不加控制电流,由于霍尔元件引线布局不合理,在输出回路会感流,由于霍尔元件引线布局不合理,在输出回路会感流,由于霍尔元件引线布局不合理,在输出回路会感流,由于霍尔元件引线布局不合理,在输出回路会感应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。应出交流电压。通过合理布局引线可以减小感应电势。参见下图。参见下图。参见下图。参见下图。5.5.温度误差及其补偿温度误
19、差及其补偿温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件对温度变化十分敏感,为了提高精度,霍尔元件对温度变化十分敏感,为了提高精度,霍尔元件对温度变化十分敏感,为了提高精度,霍尔元件对温度变化十分敏感,为了提高精度,必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见必须采取温度补偿措施。霍尔元件温度补偿电路参见下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下下图。霍尔元件内阻与温度关系如下霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为霍尔元件灵敏度与温度
20、的关系为霍尔元件灵敏度与温度的关系为补偿电阻补偿电阻补偿电阻补偿电阻r r0 0的选择如下:的选择如下:的选择如下:的选择如下:设在某基准温度设在某基准温度设在某基准温度设在某基准温度 下,有下,有下,有下,有由上两式得由上两式得由上两式得由上两式得当温度上升为当温度上升为当温度上升为当温度上升为 时,同理可得时,同理可得时,同理可得时,同理可得当温度为当温度为当温度为当温度为 时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为当温度为当温度为当温度为当温度为 时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为时霍尔电势为设补偿后霍尔电势不变,即设补偿后霍尔电势不变,即设补偿后霍尔电势不变,即设补偿后霍尔电势
21、不变,即于是有于是有于是有于是有考虑考虑考虑考虑 ,将前面公式整理得,将前面公式整理得,将前面公式整理得,将前面公式整理得将上式展开,并略去将上式展开,并略去将上式展开,并略去将上式展开,并略去 项,得项,得项,得项,得对于霍尔元件,有对于霍尔元件,有对于霍尔元件,有对于霍尔元件,有 ,上式简化为,上式简化为,上式简化为,上式简化为 通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式通过在霍尔元件控制电流输入端并联电阻的方式可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以
22、很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。只需要通过霍尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数尔元件的内阻温度系数 和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数和灵敏度温度系数 即可即可即可即可求得补偿电阻的大小。求得补偿电阻的大小。求得补偿电阻的大小。求得补偿电阻的大小。另外,采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外,采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外,采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件另外,采用热敏电阻也可以很好的补偿霍尔元件的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿电路见下图。的温度漂移。补偿
23、电路见下图。(七)应用(七)应用(七)应用(七)应用 霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式位移传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔式压力传感器参见下图。霍尔集成电路原理框图,见下图。霍尔集成电路原理框图,见下图。霍尔集成电路原理框图,见下图。霍尔集成电路原理框图,见下图。二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管二、磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高,能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高,能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁
24、灵敏度高,能识磁敏二极管和磁敏三极管具有磁灵敏度高,能识别磁场极性;体积小、电路简单等特点。别磁场极性;体积小、电路简单等特点。别磁场极性;体积小、电路简单等特点。别磁场极性;体积小、电路简单等特点。(一)磁敏二极管的工作原理及主要特性(一)磁敏二极管的工作原理及主要特性(一)磁敏二极管的工作原理及主要特性(一)磁敏二极管的工作原理及主要特性1.1.磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理磁敏二极管的结构原理 磁敏二极管采用磁敏二极管采用磁敏二极管采用磁敏二极管采用P P+-I-N-I-N+型结构,在本征区的一侧型结构,在本征区的一侧型结构,在本征区的一侧型结构,在本征区的
25、一侧面设置高复合面设置高复合面设置高复合面设置高复合r r区。参见下图。区。参见下图。区。参见下图。区。参见下图。2.2.磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征磁敏二极管的主要特征(1)(1)伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 在给定磁场的情况下,磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下,磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下,磁敏二极管正向偏压和通在给定磁场的情况下,磁敏二极管正向偏压和通过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏过它的电流的关系称为伏安特性。锗磁敏二极管的伏
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- 传感器 第八 固态
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