壓力變送器分析霍爾式壓力計的原理及特性

    金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場巾，磁場方向垂直于薄片，如圖3一28(a)所示，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢E，這種現(xiàn)象稱為報爾效應，該電動勢稱為霍爾電動勢。上述半導體薄片稱為霖爾元件。
    Iz型霍爾元件是在摻雜濃度很低、電阻率很大的[l型襯底上用雜質擴散法制作出如圖3一28(b)所示的N`導電Ut(a一b段)，它的厚度非常薄，電阻值約幾百歐。在a一b導電薄片的兩側對稱地用雜質擴散法制作出霍爾電動勢引出端c,d，因此它是四端元件。其中一對(a,b端)稱為激勵電流端，另外一對(c,d端)稱為露爾電動勢輸出端，c,d端一般應處于側面的中點。
    現(xiàn)以N型半一導體霍爾元件為例來說明霖爾傳感器的工作原理，如圖3一28(a)所示。當激勵電流端通人電流I，并將薄片置于磁場中，設該磁場垂直于薄片，磁感應強度為B，這時電子(運動方向與電流方向相反)將受到洛侖茲力F,‘的作用，向內側偏移，該側形成電子的堆積，從而在薄片的a,d方向產生電場E,隨后的電子一方面受到洛侖茲力F,.的作用，另一方面又同時受到該電場力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，當時，電子的積累達到動態(tài)平衡。這時，在半導體薄片。,d方向的端面之間建立的電動勢E就是霍爾電動勢。
    由實驗可知，流人激勵電流端的電流I越大、作用在薄片上的磁場強度B越強，祖爾電動勢也就越高。霸爾電動勢E可用下式表示，即式中，K。為霍爾元件的靈敏度。
    若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度0時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向(與薄片垂直的方向)的分量，即Bcose，這時的霍爾電動勢為
    從式(3-22)可知，霍爾電動勢與輸人電流I、磁感應強度r,成正比，且當B的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電動勢為同頻率的交變電動勢。
    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，今后將逐漸得到應用。近年來，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、對稱性等均比老工藝優(yōu)越得多，目前得到越來越廣泛的應用。
    霍爾元件的殼體可用塑料、環(huán)氧樹脂等制造，封裝后的外形如圖3 -28(d)所示。

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