壓力變送器分析霍爾式壓力計(jì)的原理及特性

    金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)巾，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，如圖3一28(a)所示，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E，這種現(xiàn)象稱(chēng)為報(bào)爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)。上述半導(dǎo)體薄片稱(chēng)為霖爾元件。
    Iz型霍爾元件是在摻雜濃度很低、電阻率很大的[l型襯底上用雜質(zhì)擴(kuò)散法制作出如圖3一28(b)所示的N`導(dǎo)電Ut(a一b段)，它的厚度非常薄，電阻值約幾百歐。在a一b導(dǎo)電薄片的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)地用雜質(zhì)擴(kuò)散法制作出霍爾電動(dòng)勢(shì)引出端c,d，因此它是四端元件。其中一對(duì)(a,b端)稱(chēng)為激勵(lì)電流端，另外一對(duì)(c,d端)稱(chēng)為露爾電動(dòng)勢(shì)輸出端，c,d端一般應(yīng)處于側(cè)面的中點(diǎn)。
    現(xiàn)以N型半一導(dǎo)體霍爾元件為例來(lái)說(shuō)明霖爾傳感器的工作原理，如圖3一28(a)所示。當(dāng)激勵(lì)電流端通人電流I，并將薄片置于磁場(chǎng)中，設(shè)該磁場(chǎng)垂直于薄片，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，這時(shí)電子(運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反)將受到洛侖茲力F,‘的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，該側(cè)形成電子的堆積，從而在薄片的a,d方向產(chǎn)生電場(chǎng)E,隨后的電子一方面受到洛侖茲力F,.的作用，另一方面又同時(shí)受到該電場(chǎng)力F。的作用。從圖3 -28(a)可以看出，這兩種力的方向恰好相反。電子積累越多，F(xiàn)也越大，而洛侖茲力保持不變。最后，當(dāng)時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，在半導(dǎo)體薄片。,d方向的端面之間建立的電動(dòng)勢(shì)E就是霍爾電動(dòng)勢(shì)。
    由實(shí)驗(yàn)可知，流人激勵(lì)電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，祖爾電動(dòng)勢(shì)也就越高。霸爾電動(dòng)勢(shì)E可用下式表示，即式中，K。為霍爾元件的靈敏度。
    若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度0時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向(與薄片垂直的方向)的分量，即Bcose，這時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)為
    從式(3-22)可知，霍爾電動(dòng)勢(shì)與輸人電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度r,成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電動(dòng)勢(shì)為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)。
    目前常用的霍爾元件材料是FI型硅，它的霍爾靈敏度、溫度特性、線性度均較好，而銻化錮(InSb)、砷化錮(InAs)、鍺(Ge)等也是常用的霍爾元件材料，砷化稼( GaAs)是新型的霍爾元件材料，今后將逐漸得到應(yīng)用。近年來(lái)，已采用外延離子注人工藝或采用濺射工藝制造出了尺寸小、性能好的薄膜型v爾元件，如圖3 -28(b)所示。它由襯底、十字形薄膜、引線(電極)及塑料外殼等組成。它的靈敏度、穩(wěn)定性、對(duì)稱(chēng)性等均比老工藝優(yōu)越得多，目前得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹(shù)脂等制造，封裝后的外形如圖3 -28(d)所示。

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