臺灣博碩士論文加值系統

感測器的發展一直是人類科技進步的指標，隨著固態元件與微機電技術的發展而有許多種類的感應器相繼問世。而由於地球本身即帶有磁性，因此磁場感應器為最早人類所發覺使用的。而在應用的領域包含有偵測：電流、地球磁場、速度、位移、轉速…等等。磁性感測器一般分為兩種效應：磁阻效應（Magnetic Resistance Effect）與霍爾效應（Hall Effect）。在此主要討論霍爾效應為主。
霍爾元件一般用於感應磁場，藉由電場與磁場對於運動帶電荷子會產生勞倫茲（Lorenz Force）作用力而產生訊號。產生的輸出訊號依照類型分為兩種：霍爾電流輸出、霍爾電壓輸出。而訊號的大小主要與材料中的載子濃度（Concentration）、漂移率（Mobility）、幾何形狀（Geometry）有關。由於在高溫時會使得霍爾元件特性衰退，無法有效精確獲得感應磁場的變化而導致電路不正常動作。因此對於溫度的分析是不可缺少的，但溫度的變化卻使得電路設計增加了複雜性。
由於積體電路製作技術的進步使得霍爾感測器偏向於積體電路化，基於以下理由：
（1）小面積--積體霍爾感應器可與放大器一起製作而得到單一晶片電路，相較於在印刷電路板上離散的電晶體而言有較小的面積。且小面積的磁感應器可將之併入其他電路中增加應用性。
（2）耐用度--由於是採用積體整合的，使得其對於震動與衝擊擁有非常高的免疫力。標準的積體電路封裝對於環境變異與濕度也有相當高的抗性。
（3）使用方便性--爾元件輸出在大體的磁場範圍內有著近乎線性的特徵，且不具有磁滯或是記憶的特性。對於磁場的方性亦可辨識。且由於小體積的緣故具有著點辨識的能力，即可測量空間中點位置的磁場特性。
（4）價格─由於體積減小與製程價格下降使得整體成本的相對降低。
在本篇論文中，首先分析比較電壓式與電流式霍爾元件的特性差異。且應用理論觀點在漢磊1.5μm-25V Bipolar製程中來得到最佳化的元件幾何尺寸。其後將電流式霍爾元件為積體電路核心，把元件輸出電流訊號藉由轉阻放大器轉為電壓訊號，而此處相較於電壓式霍爾元件則擁有較高的頻寬。針對於元件在高溫時會使訊號大幅衰減則是使用自動增益控制電路來將衰減的訊號予以補償，使得電路不因霍爾元件溫度特性而產生動作錯誤。最後再以低增益放大器來將訊號振幅放大至可接受範圍。對於因溫度大範圍變動時造成的直流偏壓點改變則是以準位平移電路來改善修正至最小的程度。

In this work, we first compare the different characteristics between the voltage mode and current mode Hall effect devices. And applying the theory to obtain the best device’s geometry dimensions in the EPISIL 1.5μm-25V Bipolar process. Then choose the current mode Hall effect device to be the core of the integrated circuit, and transform the device’s output current signal to voltage signal with a transimpedance amplifier. This current mode system has wider frequency band than the voltage mode Hall effect device. High temperature environment will damage the Hall device’s signal substantially and it is necessary to use an automatic gain control circuit to compensate the loss of the signal. A low-gain amplifier is connected to the output of the transimpedance amplifier to make the signal swing in the acceptable range. For the change of the DC biasing point with large temperature variation, we use the level shifting circuit to correct these and get the best condition.

摘要 I
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 論文架構 2
第二章 霍爾效應 3
2.1 近似分析 3
2.1.1 長樣本 3
2.1.2 短樣本 7
2.1.3 討論分析 9
2.2 實際分析 9
2.2.1 基本方程式 10
2.2.2 邊界條件 11
2.2.3 無限長樣本 12
2.2.4 無限短樣本 13
2.2.5 幾何形狀影響因素 14
2.3 電流磁效應傳輸係數 14
2.3.1 磁場相依之動能係數 15
2.3.2 散射因子與霍爾因子 15
2.3.3 電導率 16
2.3.4 霍爾漂移率 16
2.3.5 電阻率 17
2.3.6 霍爾係數 18
第三章 霍爾元件設計 25
3.1 參數計算 25
3.2 霍爾電壓設計 26
3.2.1 電壓輸入 26
3.2.2 幾何校正因子 27
3.2.3 電壓驅動相依靈敏度 28
3.3 霍爾電流設計 29
3.3.1 雙重性理論 29
3.3.2 幾何校正因子 30
3.3.3 電流驅動相依靈敏度 31
3.3.4 霍爾電流輸出 31
3.4 元件結構與佈局考量 32
3.4.1 霍爾元件結構 32
3.4.2 電壓模式佈局設計 33
3.4.3 電流模式佈局設計 34
3.4.4 元件IC佈局設計 34
3.5 等效霍爾元件模型 35
3.5.1 電壓模式 35
3.5.2 電流模式 35
第四章 感應電路設計 43
4.1 電流式霍爾元件模型 43
4.2 元件偏壓電路 44
4.2.1 電路設計 44
4.2.2 電路模型 45
4.3 轉阻放大器電路 45
4.3.1 原理分析 46
4.3.2 電路設計 46
4.3.3 電路模型 47
4.4 電壓準位平移電路 48
4.4.1 原理分析 48
4.4.2 電路設計 49
4.5 自動增益控制電路 49
4.5.1 原理分析 50
4.5.2 電路設計 50
4.6 低增益放大器 51
4.6.1 原理分析 51
4.6.2 電路設計 51
4.7 霍爾積體電路 52
第五章 結 論 67
參考文獻 68

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