霍尔传感器响应时间的物理仿真分析
霍尔效应仿真实验
霍尔效应仿真实验霍尔效应是电导材料中特有的现象，是指在经过一个恒定磁场的情况下，电流在使铺设在磁场中的电导材料中移动时会产生的电势差。
这种电势差由霍尔元件测量并产生一个输出信号。
霍尔效应的常见应用包括磁传感器、电子测量和电路控制等领域。
在本实验中，我们将通过仿真霍尔效应来展示这种现象的特性，并探讨如何将霍尔元件应用于实际应用中。
本实验教材将分为以下几个部分：1. 实验目标和预备知识2. 实验器材和仿真软件介绍3. 实验步骤和数据记录4. 数据分析和讨论本实验的主要目标是通过实验仿真霍尔效应来了解这种现象的特性。
在本实验中，我们将学会使用仿真器模拟霍尔效应并测量相应参数。
在实验过程中，您需要掌握以下预备知识：• 霍尔元件的基本原理• 磁场的产生和控制• 电路的基础知识• 一台计算机• 一款仿真软件，如Multisim• 一个磁铁• 一条铜线在本实验中，我们将按照以下步骤模拟霍尔效应。
步骤1：准备工作将Multisim软件打开，创建一个新的仿真文件。
在文件中建立以下电路：在此电路中，虚线所示的是铜线，两侧分别连接一个霍尔元件，霍尔元件的输出连接到电压表上。
步骤2：设置磁场将磁铁靠近霍尔元件，以产生一个磁场。
此时，计算机屏幕上应该出现一个霍尔效应输出电压。
记录下电压表读数。
步骤3：改变霍尔元件位置将霍尔元件移动到不同位置，并再次记录电压表的读数。
将数据记录下来，并进行比较和分析。
步骤4：改变磁场强度改变磁铁的位置和距离，以改变磁场的强度。
在极端情况下，将磁铁完全移开霍尔元件，以检测是否有任何输出。
将数据记录下来，并进行比较和分析。
在本实验的数据分析和讨论中，需要计算电压表的读数，以确定霍尔元件的输出Voltage（V）。
使用以下公式可以计算：V = IRB/K其中：• I是经过铜线的电流（A）• B是磁场的强度（T）• K是霍尔元件的灵敏度（V/A/T）通过比较不同的磁场强度和霍尔元件位置测量得出的输出电压，并分析数据，可以确定霍尔元件的位置和灵敏度对输出的影响。
仿真实验-霍尔效应实验核心部分
实验数据V σ此时励磁电流的大小Im=0.45A 电磁线圈的磁场大小为0.2187T保持此时励磁电流大小不变，调节工作电流每次变化0.5mA ，记录显示的电压值Is/mAV(+Im, +Is) V(-Im, +Is) V(+Im, -Is) V(-Im, -Is) VH(mV) 0.5 1.45 1.44 1.43 1.42 1.435 1 2.45 2.44 2.43 2.42 2.435 1.5 3.45 3.44 3.43 3.42 3.435 2 4.45 4.44 4.43 4.42 4.435 2.5 5.45 5.44 5.43 5.42 5.435 3 6.45 6.44 6.43 6.42 6.435 3.5 7.45 7.44 7.43 7.42 7.435 48.45 8.44 8.43 8.42 8.435 4.5 9.459.449.439.429.435保持此时工作电流的大小不变，调节励磁电流每次变化0.05A ，记录显示的电压值Im/AV{+Im, +Is) V(-Im. +Is}V(+Im. -Is} V(-Im, -Is) VH B(T) 0.05 1.32 1.31 1.32 1.31 1.315 0.0243 0.1 2.322.31 2.32 2.31 2.315 0.0486 0.153.323.313.323.313.3150.07290.2 4.32 4.31 4.32 4.31 4.315 0.0972 0.25 5.32 5.31 5.32 5.31 5.315 0.1215 0.3 6.32 6.31 6.32 6.31 6.315 0.1458 0.35 7.32 7.31 7.32 7.31 7.315 0.1701 0.48.328.31 8.32 8.31 8.315 0.1944 0.45 9.329.319.329.319.3150.2187结论通过以上测星值计算可得到霍尔元件的霍尔系数cul /5m 0.00454229RH 3= 通过以上测星值计算可得到霍尔元件的载流子类型P 型通过以上测星值计算可得到霍尔元件的载流子浓度-321m 101.37424n ⨯= 通过以上测星值计算可得到霍尔元件的电导率m 1754.982887-1Ω=σ通过以上测星值计算可得到霍尔元件的载流子迁移率Sec V ⨯=/1m 3.429355282μ 误差分析VH-Is 与VH-Is 曲线线性性质非常好，体现了仿真实验的理想性。
霍尔效应仿真实验
霍尔效应仿真实验霍尔效应是指当电流流过导体时，在导体横向施加一个外加磁场，会在导体的一侧产生一定的电压，这种现象称为霍尔效应。
霍尔效应广泛应用于传感器、电流测量、电动机控制、速度测量等领域。
本文将介绍霍尔效应的仿真实验，通过仿真实验可以直观地展示霍尔效应的原理和特点。
实验器材：1. PC电脑2. 仿真软件LabVIEW3. 霍尔效应仿真装置实验步骤：1. 启动PC电脑，打开LabVIEW仿真软件。
2. 连接霍尔效应仿真装置到PC电脑上。
3. 打开LabVIEW软件的霍尔效应仿真实验界面。
4. 调节霍尔效应仿真装置的电流和磁场强度参数，以模拟不同电流下的霍尔效应现象。
5. 在LabVIEW软件中观察实验数据，并分析霍尔效应的特点和规律。
实验原理：当一个导体带电流流过时，如果在其横向施加一个外加磁场，根据洛伦兹力的作用，导体内的自由电子将受到洛伦兹力的作用，导致电子的漂移方向发生变化，最终在导体的一侧产生一定的电压。
这种现象就是霍尔效应。
根据霍尔效应的原理，可以设计出霍尔元件，并应用于各种传感器和电路中。
实验目的：1. 了解霍尔效应的基本原理和特点。
2. 学习使用LabVIEW仿真软件进行霍尔效应的仿真实验。
3. 分析不同电流下霍尔效应的变化规律。
4. 讨论霍尔效应在传感器和电路中的应用。
实验过程中，我们调节不同的电流和磁场强度参数，观察实验数据并分析霍尔效应的特点和规律。
通过仿真实验，可以直观地展示霍尔效应的原理和特点，增强学生对霍尔效应的理解和掌握。
霍尔效应仿真实验的结果分析：1. 随着电流的增大，霍尔效应产生的电压也随之增大，这是因为电流的增大会增强导体内自由电子的漂移速度，从而增大在导体一侧产生的电压。
2. 随着外加磁场强度的增大，导体一侧产生的电压也随之增大，这是因为外加磁场的增大会增强自由电子受到的洛伦兹力，从而增大在导体一侧产生的电压。
3. 在一定的电流和磁场强度范围内，霍尔效应的电压呈线性变化，可以通过实验数据拟合得到霍尔系数，用于后续的应用。
霍尔效应仿真实验
霍尔效应仿真实验霍尔效应是由美国物理学家愈·霍尔于1879年发现的一种现象，指的是在导电性材料中，当有电流通过时，垂直于电流方向的磁场作用下，会产生电压差的现象。
霍尔效应不仅有着重要的物理意义，而且在工程技术中也有着广泛的应用，尤其在传感器、电机控制、电子设备等方面发挥着重要作用。
深入了解霍尔效应并进行相应的仿真实验，对于提高学生对物理知识的理解和应用能力都具有重要的意义。
一、实验目的通过本实验，学生将了解霍尔效应的基本原理和特性，掌握霍尔效应的测量方法和步骤，掌握霍尔元件的工作原理和应用。
二、实验原理1. 霍尔效应原理当导电体（通常是金属或者硅等半导体材料）处于外加磁场中并通过电流时，将在导电体的周围形成霍尔电场，从而在导电体的两侧产生电势差。
这个电势差称为霍尔电压，这种现象称为霍尔效应。
2. 霍尔元件霍尔元件是一种利用霍尔效应产生电压信号的传感器元件。
它由霍尔片、电路板和封装等部分组成，通常被用于测量电流、电压、速度和位置等物理量。
霍尔元件具有响应速度快、精度高、寿命长、不受振动干扰等优点。
三、实验步骤本次实验将使用霍尔效应仿真实验仪器进行实验。
实验步骤如下：1. 连接实验仪器：将霍尔效应仿真实验仪器的电源线、示波器线、电流调节旋钮线依次连接到对应的位置。
2. 确定霍尔元件的安装位置：将霍尔元件安装在实验仪器上的支架上，并将磁铁放置在霍尔元件的正下方，以确保霍尔元件处于外加磁场中。
3. 开始实验：按照实验仪器的操作说明，依次打开电源开关、调节示波器和电流调节旋钮，观察示波器屏幕上的波形变化。
4. 数据记录与分析：通过示波器屏幕上的波形变化，记录霍尔电压的变化情况，并进行相应的数据分析和结果总结。
四、实验结果分析通过实验，我们可以观察到以下现象：1. 当电流通过霍尔元件时，示波器屏幕上出现一定的霍尔电压波形。
2. 随着外加磁场强度的变化，霍尔电压的大小和波形也相应发生变化。
3. 通过数据分析和结果总结，我们可以得出霍尔效应的一些基本特性，如霍尔电压与电流、磁场强度的关系等。
大学物理实验报告系列之霍尔效应-大物霍尔效应实验报告
大学物理实验报告【实验名称】霍尔效应【实验目的】1．了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。
2．学习用“对称测量法”消除付效应的影响，测量试样的VH—IS；和VH—IM 曲线。
3．确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。
【实验仪器】霍尔效应实验仪【实验原理】霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。
当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。
对于图1（a）所示的N型半导体试样，若在X方向通以电流1s，在Z方向加磁场B，试样中载流子（电子）将受洛仑兹力F B= e v B （1）则在Y方向即试样A、A'电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场一霍尔电场。
电场的指向取决于试样的导电类型。
对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P 型试样则沿Y方向，有：Is (X)、B (Z) E H (Y) <0 (N型)E H (Y) >0 (P型)显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力HeE与洛仑兹力eVB相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有HeE= B v e（2）其中HE为霍尔电场，v是载流子在电流方向上的平均漂移速度。
设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则bdvneIs=（3）由（2）、（3）两式可得dBIRdBInebEV SHSHH===1（4）即霍尔电压HV（A、A'电极之间的电压）与IsB乘积成正比与试样厚度成反比。
.) (mA IS)(1mvV)(2mvV)(3mvV)(4mvV)(44321mvVVVVVR-+-=BIS++...BIS-+...BIS+-...BIS--...1.00 4.09 4.02 4.02 4.11 0.041.50 6.15 6.03 6.06 6.18 0.062.00 8.21 8.3 8.04 8.20 0.0852.50 10.25 10.06 10.04 10.27 0.1053.00 12.33 12.05 12.05 12.29 0.1304.00 16.39 16.07 16.09 16.41 0.160)(mA IM)(1mvV)(2mvV)(3mvV)(4mvV)(44321mvVVVVVH-+-=BIS++...BIS-+...BIS+-...BIS--...0.300 4.18 4.02 3.95 4.18 0.0975 0.400 5.52 5.37 5.30 5.49 0.0850.500 6.84 6.68 6.67 6.84 0.08250.600 8.19 8.04 8.03 8.21 0.08250.700 9.55 9.04 9.38 9.55 0.1700.800 10.90 10.75 10.74 10.92 0.0825mvV1.167=σmmd5.0=mml3=mmb5=TAKGSB364.0/64.3==由公式ccmBIdVRSHH/0549.01036401105.004.0103848=⨯⨯⨯⨯=⨯=-由公式1719108.8106.10549.011--⨯=⨯⨯==eRnH由公式63.143105.051.167233=⨯⨯⨯⨯==-SVlISσσ西门子/米由公式89.763.1430549.0=⨯==σμHR.【小结与讨论】(1)了解了霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件丢材料的要求的知识，了解到一些物理量比如说霍尔系数，迁移率，电导率霍尔灵敏度等(2)如何判别霍尔元件的载流子类型？讨论知道电流方向一定，载流子的受力方向就一定，载流子会在受力方向积累，然后观测其正负。
霍尔效应仿真实验
霍尔效应仿真实验霍尔效应是指在大跨度的金属板上，通过正交电场和磁场的作用，可以产生一个电流，这个电流是与磁场垂直的方向。
这个电流称为霍尔电流，这种现象被称为霍尔效应。
霍尔效应被广泛应用于磁性检测、恒流源、力传感器、速度传感器等领域。
霍尔效应的本质是磁场作用于导体中自由电子的轨道，从而在导体中产生一个电压。
通过相邻的导体夹在一起，就可以形成霍尔元件，可以检测磁场的存在。
这里我们以霍尔元件为例，介绍如何进行霍尔效应的仿真实验。
实验前的准备1. 一个霍尔元件2. 一个电压表3. 一个磁铁4. 一块金属板实验过程1. 将霍尔元件放在磁铁的磁场中，记录输出电压。
2. 将磁铁移离霍尔元件并记录输出电压。
3. 改变磁铁的位置和磁场的方向并记录输出电压。
实验原理当霍尔元件放置在磁场中时，磁场作用于元件中的电子，使之在上下两个侧面形成电子流。
在正常条件下，这些电子将匀速移动，形成宏观电流。
但是霍尔元件中存在一个垂直于电流和磁场的方向，在这个方向上，电荷受到一个力的作用。
这个力使得电荷一侧的电子密度增加，而另一侧的电子密度减少，这个效应被称为霍尔效应。
霍尔效应的主要特点是磁场强度与输出电压呈线性关系。
当磁场的大小改变时，输出电压也会相应地改变。
这一特性可用于测量磁场强度。
结论通过这次实验，我们可以了解到霍尔效应的基本原理和特点。
同时，我们也可以了解到霍尔元件的应用和制备方法，并了解到如何使用霍尔元件来检测磁场的存在。
在实际应用中，霍尔元件可以用于温度测量、流量测量、速度测量、旋转角度等方面。
霍尔元件的高精度、高稳定性和灵敏度等特点，使其成为无线电、通信、汽车、机械等行业不可或缺的关键元件。
霍尔传感器试验报告.
实验三（1）霍尔式传感器的特性—直流激励（综合性）姓名：学号：班级：实验目的：了解霍尔式传感器的原理与特性所需单元及附件：霍尔片、磁路系统、电桥、差动放大器、F／V表、直流稳压电源、测微头、振动平台、主、副电源。
旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮打到最小，电压表置２０Ｖ档，直流稳压电源置２Ｖ档，主、副电源关闭。
实验原理：根据霍尔效应，霍尔电动势U=KIB，当霍尔元件处于梯度磁场中运动时就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小与位移x有关，当激励电流核定不变时，磁感应强度在一定范围内与位移量呈线性关系。
实验步骤：（１）了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号。
霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器。
（２）开启主、副电源将差动放大器调零后，增益置最小，关闭主电源，根据图3-1接线，Ｗ１、r为电桥单元的直流电桥平衡网络。
图3-1霍尔式传感器的特性—直流激励（３）装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
（４）开启主、副电源调整Ｗ１使电压表指示为零。
（５）上下旋动测微头，记下电压表的读数，建议每0.1mm读一个数，将读数填入表中。
实验结果及分析：1、2、作出Ｖ－Ｘ曲线指出线性范围，求出灵敏度，关闭主、副电源。
实验三（2）霍尔式传感器的应用—电子秤（综合性）实验目的：了解霍尔式传感器在静态测量中的应用。
所需单元及部件：霍尔片、磁路系统、差动放大器、直流稳压电源、电桥、砝码、F ／V 表（电压表）、主、副电源、振动平台。
有关旋钮初始位置：直流稳压电源２Ｖ，电压表２Ｖ档，主、副电源关闭。
实验步骤：（１）开启主、副电源将差动放大器调零，关闭主、副电源。
（２）调节测微头脱离平台并远离振动台。
（３）按图3-1接线，开启主、副电源，将系统调零。
（４）差动放大器增益调至最小位置，然后不再改变。
（５）在称重平台上放上砝码，填入下表。
霍尔传感器 实验报告
霍尔传感器实验报告霍尔传感器实验报告引言：霍尔传感器是一种广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗设备等领域的传感器。
它利用霍尔效应来测量磁场的强度和方向，具有高精度、高灵敏度和无接触的特点。
本实验旨在通过实际操作和数据分析，深入了解霍尔传感器的原理和应用。
实验目的：1. 理解霍尔效应的基本原理；2. 掌握霍尔传感器的使用方法；3. 分析霍尔传感器在不同应用场景下的特点和优势。
实验器材和方法：1. 实验器材：- 霍尔传感器模块- 磁铁- 电源- 示波器- 电阻箱- 连接线等2. 实验方法：- 将霍尔传感器模块连接至电源和示波器，并调整合适的工作电压；- 在不同距离和角度下，用磁铁靠近霍尔传感器，记录示波器上的输出信号；- 调节电阻箱的阻值，观察霍尔传感器输出信号的变化；- 分析实验数据，总结霍尔传感器的特性和应用。
实验结果与讨论：1. 霍尔效应的观察：在实验中，我们发现当磁铁靠近霍尔传感器时，示波器上的输出信号会有明显的变化。
这是因为霍尔传感器感受到磁场的作用，产生霍尔电压，从而改变输出信号。
通过改变磁铁的距离和角度，我们可以观察到输出信号的不同变化趋势，验证了霍尔效应的存在。
2. 霍尔传感器的特性：- 灵敏度高：霍尔传感器对磁场的变化非常敏感，能够精确测量磁场的强度和方向；- 无接触式：与传统的接触式传感器相比，霍尔传感器无需物理接触被测物体，避免了磨损和干扰；- 快速响应：霍尔传感器的输出信号响应速度快，适用于需要实时监测和控制的场景；- 可靠性高：由于无机械部件，霍尔传感器具有较长的使用寿命和较高的可靠性。
3. 霍尔传感器的应用：- 工业控制：霍尔传感器可用于测量电机的转速和位置，实现精确的运动控制； - 汽车电子：霍尔传感器可用于测量车速、转向角度等，实现车辆的智能化和安全性控制；- 医疗设备：霍尔传感器可用于测量人体生理参数，如心率、血压等，辅助医疗诊断和监测。
结论：本实验通过对霍尔传感器的实际操作和数据分析，深入了解了霍尔传感器的原理和应用。
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拟，求解了空穴和电子的泊松方程和连续性方程。恒定 500 pA电流通过触点C1,而C4连接到接地，触点C2和C3 浮动。磁场入射到上表面,其均匀大小为5 T(使用高磁感 应来强调其效果)。图2( a)为模拟结果。洛伦兹力的作用 是使电子电流密度偏离对角线，从而在感测触点之间产生 电压差。装置上的等电位线突出了电位差。对于本模拟中 考虑的高磁感应，C2上的电位为2.5 V, C3上的电位为 1.7 V,总霍尔电压为0.8 V&此外，在传感器的线性范围 ±0.5进行测试，这是一个现实的线性范围为电流传感芯 片。模拟的结果是显示在图2 (b)&注意，霍尔输出电压之 间的差异，即潜在的传感接触，是在一个有限的±80 MV, 1 MV/灵敏度约160 T&
0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 时间/$s
(a)偏压电路切换后传感器的
时间/#S (b)不同掺杂浓度下传感器的
瞬态行为
时间/"S (c)传感器在不同磁感应下的
瞬态行为
时间/囲
(+)不同偏压电流下传感器的 瞬态特性
图3瞬态仿真结果
3结论 旋转电流法是CMOS霍尔传感器中降低偏置电压的标
DopingConcentration[cm"3]
■ 3.000X1025 i2.910x1014
2.823 x15;
2.739x10=
C1
-9.410X102
-9.701X108
・-1.000x10"
C4
C2
C3
图1 CMOS霍尔传感器三维模型
Synopsys Sentaurus设备被用作霍尔设备的物理模拟 器。嵌入了电流传输模型，能够分析半导体器件中磁场的 影响。采用了考虑洛伦兹力的磁场相关项增强的共漂移扩 散输运模型。电子电流密度的一般方程为
devccepeusbcasscheme.Thescmueaicon esueisshowihaiihe esponseicmeooihemodeeed devccecsvetoasiand
iheacqucscicon bandwcdih cswcihcn MHe.Seieemeniicmemacnetdependson phtsccaesiuciu eooihesenso . Hcghe conceniaicon ooNchoeescan achceveoasie Haedevcces， buiihcswceeduceihesenscicvcitooihesenso . Keywords： magneiccsenso ； Haesenso ； numeccaescmueaicon； hcgh bandwcdih； esponseicme
* +魯⑴
式中.为y轴上的电流,0为z轴上的磁感应,g为电子
电荷,#为硅的掺杂浓度,t为传感器的厚度,G为传感器几
何结构效率的校正系数,"h为霍尔系数，取决于散射效应 和材料各向异性[13,14]O
模拟霍尔器件的结构非常简单，如图1所示。大小由 30 pm -30 pm和1 pm厚的n-孔组成，掺杂有恒定浓度的供 体原子。4个高掺杂的触点被放置在N阱的角落。每个触 点有一个4. 5 pm -4. 5 pm的延长线和一个0. 4 pm的厚 度。这些接触是由离子注入产生的。为了可靠地模拟离子 注入过程，在不同掺杂浓度下，每一个接触面都用3层模型 来模拟，较低的掺杂水平深入基底。一个P型外延层，受体 原子浓度为1 015/cm3,围绕着N阱。外延层大小为50 pm 50 pm,5 pm厚,并且在一侧具有触点,以设置自身对地的电 压电位。
为C1和C4之间电压降的瞬态行为。传感器需要近 2 ns( 1.0015 -1.0035 ps)来响应偏压条件的变化。传感器
显示速度非常快，使旋转电流法的频率高达50 MHz& 响应时间是移动电子到传感器内部空间重新定位所需
的时间。电子电流在偏压触点之间流动，远离感应触点。
当偏压和感应触点交换时，电子流的方向必须改变90。。这 种重新定位时间，即响应时间，与N阱的电阻率和N阱与
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传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
2019年第38卷第10期
DOI #10.13873/J. 1000-9787(2019)10-0012-03
霍尔传感器响应时间的物理仿真分析
张安安，李晖 （江西省科学院能源研究所，江西南昌330039）
摘要：针对互补金属氧化物半导体（CMOS）霍尔传感器的灵敏度和采集带宽问题，对CMOS霍尔传感
器的时间限制进行了仿真分析。对现代物理模拟器对CMOS霍尔传感器的瞬态特性进行分析，采用 CMOS技术实现了方形霍尔传感器的三维模型，通过电流输运模型对硅器件的磁场效应进行了数值模拟。
为了分析响应时间，对整个电路进行了混合模SPICE物理模拟，即三维器件加偏压方案。仿真结果表明：
Abs(eCurrentDensity-V) [*A cm"2]
■ 5.000x10$
1.775x10$
6.300X102 C2
C4
2.236X102 7.937X101
i
_ 2.817X101
■ 1.000X101
i
C1
C3
(a)准平稳模拟
磁感应/T (b)线性范+内传感器静态特性
图2静态分析模拟结果
另一个影响响应时间的参数是偏压电流的大小。如 图3(d)所示，减少10倍的偏压电流将使响应时间加倍。 注意，改变偏压电流会改变传感器跟随(1)的灵敏度，因 此电压范围也会改变。为了保持分辨率不变，最大允许误 差必须与偏置电流成比例。假设10位分辨率,500 !A偏 置电流的最大误差为150 !V,50 !A偏置电流的最大误差 为 15 !V。
目前,对低成本高带宽隔离电流传感器性能要求较高。 电流传感器可以将开关电源中的电流大小作为电压信号反 馈给开关电源控制器，可以调节输入脉冲占空比和电源保 护[7]&而霍尔电流传感器更能降低电流检测产生的功耗, 提高开关电源的转换效率）8*&因此,霍尔电流传感器广泛 应用于开关电源系统中，表明电流传感器至少可以达到直 流1 MHz带宽）9,10*&在商业上使用的霍尔传感器设备中， 最高带宽为120 kHe,比现代高频电力系统所要求的低 1个数量级[11'12] &然而，目前对CMOS霍尔器件的物理时 间响应分析还没确切方案。
CMOS霍尔效应器件性能受限于低磁分辨率、低灵敏 度和高输出失调电压。使用集成磁浓缩器可提高磁分辨率 和灵敏度，而降低偏移量的标准解决方案是旋转电流法⑹& 旋转电流周期性地切换偏置和传感触点，导致传感器内部载
流子的重新排列，这需要时间使传感触点上的电压从偏置电 压稳定到共模电压加上霍尔电压[6] &这种稳定时间决定了 最大旋转频率的上限，限制了霍尔器件的应用。
准方法。这种方法需要不断交换偏置接触与传感接触。每
当出现偏置不连续时，电子的流动就需要时间在传感器内
部移动。这是一种设置最大旋转频率的瞬态效应,从而限
EPI基板之间P-N结的电容有关。N型阱掺杂浓度加倍，电 阻率由2.9# - cm变为1.7# - cm,结电容基本相同。这种
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传感器与微系统
第38卷
变化将响应时间缩短了 1 ns,如图3 ( b)所示。但增加掺杂 浓度会降低传感器的灵敏度，如前所述。
对不同的磁感应进行了上述模拟,对洛伦兹力对传感 器响应时间进行检测。图3 ( C)为4种不同磁感应的标准 化为稳态值的C1和C4之间的电压差。磁通密度对响应时 间的影响可以忽略不计。对于0. 5 T磁感应，响应时间略有 增加，小于1 ns。这里是，改变磁通量的方向会改变电压瞬 变行为，尽管最终结果是相同的。当0=0.5T时，洛伦兹力 抵消了电子在空间上的重新定位，从而使跃迁减慢，对于 0=—0.5 T,洛伦兹力帮助电子在空间重新定位，增加电压 的斜率，但产生过冲。
模型化设备的响应时间很快，采集带宽在兆赫范围内。沉降时间主要取决于传感器的物理结构，更高浓度
的N孔可以实现更快的霍尔器件，但这将降低传感器的灵敏度。 关键词：磁传感器；霍尔传感器；数值模拟；高带宽；响应时间
中图分类号：TP212
文献标识码：A
文章编号#1000-9787（2019）10-0012-03
Physical simulation analysis of response time of Hall sensor
ZHANG Anan, LI Hui
(InsPtute of Energy，JiangxC Academy of Sciences,Nanchang 330039，China)
Hale Waihona Puke Absrracr： Acmcngaiihep obeem oosenscicvcitand acqucscicon bandwcdih ooCMOS Haesenso ， icmeecmcioo CMOS Haesenso csscmueaied and anaeteed.Fcsiet， iheianscenichaaciecsiccsooCMOS Haesenso ae anaeteed btmode n phtsccaescmueaio .Secondet， iheih eecdcmensconaemodeeoo squaeHaesenso cseaeceed bt CMOS iechnoeogt.Fcnaet， ihemagneiccoceed eoecioosceccon devccecsscmueaied btcu eniianspo imodee.In o de ioanaeteeon esponseicme， ihewhoeecccucicsscmueaied bthtb cd modeSPICE， ihaics， ih eecdcmensconae