本文是翻譯的，大概內(nèi)容如下：

1.QWHE傳感器可用于制造出色的電流隔離器。（QHHE是量子阱霍爾效應(yīng)傳感器）QWHE 隔離器具有更低的噪聲和寄生電容、更寬的溫度和頻率工作條件、更高的線(xiàn)性度、更高的靈敏度和緊湊的尺寸（傳感器尺寸為 210μm×210μm)。

2.變壓器廣泛用于電源隔離

電容器用于信號(hào)隔離。這兩種類(lèi)型的隔離器僅適用于交流操，且體積很大，不適合集成電路。

相比QWHE可用于直流和交流操作!!

3.光隔離器和磁阻隔離器()通常用于小信號(hào)隔離。增益溫度系數(shù)非常差

相比QWHE，無(wú)需直接接觸信號(hào)即可非侵入式檢測(cè)磁場(chǎng)。173K 至 400K 的溫度范圍內(nèi)有效使用，頻率范圍為 DC 至 10kHz，具有出色的頻率增益線(xiàn)性度和極低的增益溫度系數(shù)。

傳感器和執(zhí)行器 A：物理

第 263 卷，2017 年 8 月 15 日，第 54-62 頁(yè)

具有寬頻率響應(yīng)和低增益溫度系數(shù)的量子阱霍爾效應(yīng)線(xiàn)性隔離器

Chen-Wei?Liang?Ertan?Balaban?Ehsan?Ahmad?James?Sexton?Mohamed?Missous

曼徹斯特大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，Sackville Street, Manchester M13 9Pl, UK

2016 年 12 月 9 日收到，2017 年 5 月 8 日修訂，2017 年 5 月 22 日接受，2017 年 5 月 25 日在線(xiàn)提供，2017 年 6 月 4 日記錄版本。

強(qiáng)調(diào)

?基于量子阱霍爾效應(yīng)器件的磁線(xiàn)性隔離器的開(kāi)發(fā)。

?QWHE隔離器在0～100kHz頻率響應(yīng)的相對(duì)誤差≤5.4%。

?該隔離器提供出色的增益溫度系數(shù)（< 7.5??×??10?-4??K?-1?)。

?該設(shè)備可用于直流和交流操作。

?觀察到每個(gè)頻率下輸出電壓和輸入電流之間的線(xiàn)性關(guān)系（R2≈1.0）

摘要

使用緊湊且高靈敏度的量子阱霍爾效應(yīng) (QWHE) 傳感器開(kāi)發(fā)了一種線(xiàn)性電流隔離器。該傳感器基于 GaAs-InGaAs-AlGaAs 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，最大電容為 5.5pF，3dB 帶寬為 40.2MHz。作為這項(xiàng)工作的一部分，印刷發(fā)射器線(xiàn)圈也被設(shè)計(jì)為該 QWHE 電流隔離器的一部分。在隔離器件的每個(gè)頻率下，觀察到輸入電流和輸出電壓之間的線(xiàn)性關(guān)系 (R2≈1.0)。0～100 kHz頻率響應(yīng)的相對(duì)誤差≤5.4%。在低溫和高溫下也獲得了兩個(gè)增益溫度系數(shù)，α1和 α2，溫度為 280K 是兩個(gè)區(qū)域之間的邊界。α 1和α2的平均值分別為(7.09±0.27)×10-4K-1和(3.22±0.17)×10-4K-1。α 1和α2振幅的控制機(jī)制被認(rèn)為是由于二維電子氣（2DEG）電子遷移率的溫度變化，這是由所使用的QWHE傳感器的異質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)引起的。QWHE 隔離器具有高精度、大帶寬、高頻率增益線(xiàn)性度和熱穩(wěn)定性。與商用光隔離器、基于硅霍爾傳感器的隔離器和線(xiàn)圈隔離器相比，這種 QWHE 隔離器不需要任何外部光傳感器晶體管或鐵氧體環(huán)形線(xiàn)圈來(lái)提高其靈敏度。因此，它不受任何非線(xiàn)性晶體管行為、B-H曲線(xiàn)或磁保持力的影響。結(jié)果表明，這種高靈敏度、高線(xiàn)性 QWHE 隔離器適合用作低成本、高效率、線(xiàn)性電流隔離裝置。

1.介紹

電流隔離器廣泛用于電子行業(yè)，特別是用于安全和噪聲關(guān)鍵應(yīng)用。主要思想是斷開(kāi)兩個(gè)電路區(qū)域之間的導(dǎo)電路徑。它們用于防止接地回路、避免電擊以及降低共模噪聲。它們廣泛用于能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用，例如光伏系統(tǒng)中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。伊曼-艾尼等人。[7]報(bào)道了一種模塊化電力電子變壓器，用于為關(guān)鍵負(fù)載供電，以將高交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為低直流電壓。沃爾特等人。[8]提出了一種用于電動(dòng)汽車(chē)的高功率和可擴(kuò)展的電流隔離 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。Bermejo 和 Castaňer[5]強(qiáng)調(diào)，無(wú)需使用任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換器即可在高壓下實(shí)現(xiàn)具有電流隔離的直接驅(qū)動(dòng)。在傳統(tǒng)的腦電圖系統(tǒng)中，需要電流隔離來(lái)確?；颊叩陌踩玔9]。

近年來(lái)，人們對(duì)微系統(tǒng)領(lǐng)域及其在廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越感興趣，包括能夠在完全電流隔離下運(yùn)行的基于傳感器的系統(tǒng)[10]。在聯(lián)合歐洲環(huán)面 (Tokamak) 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，近一半的數(shù)據(jù)采集通道使用隔離超過(guò) 1000 V的電流隔離前端[11]?。隔離器兼接地開(kāi)關(guān)也用于穩(wěn)態(tài)超導(dǎo)托卡馬克 SST-1 以連接和斷開(kāi)環(huán)形勵(lì)磁線(xiàn)圈與其電源[12]?。在 IST/EURATOM 協(xié)會(huì)的融合實(shí)驗(yàn)中，控制和數(shù)據(jù)采集硬件之一系統(tǒng)使用 32 個(gè)電流隔離 ADC 通道，每個(gè)通道都安裝在可更換的插卡上[13]。Cers 和 Ballik[14]使用異質(zhì)結(jié)雙極晶體管和帶折疊光電探測(cè)器二極管進(jìn)行電流隔離，以增強(qiáng)多個(gè)設(shè)備的同時(shí)觸發(fā)。巴蒂斯特等人。[15]指出，先進(jìn)的電信計(jì)算架構(gòu)板的關(guān)鍵特性之一是具有電流隔離的 ADC 或 DAC 模塊。巴蒂斯塔等人。[16]使用光纖在惡劣的電磁環(huán)境中提供電流隔離同時(shí)為遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)電子設(shè)備供電?？鞯热?。[17]使用光耦合電流鏡架構(gòu)來(lái)提供電流隔離和模擬電流信號(hào)的線(xiàn)性傳輸。托特等人。[18]描述了用于多通道前置放大器的電流隔離低噪聲電源板的實(shí)現(xiàn)。

目前，對(duì)線(xiàn)性電流隔離器的需求很大，尤其是那些為模擬應(yīng)用設(shè)計(jì)的隔離器。這些類(lèi)型的設(shè)備的一個(gè)要求是它們不應(yīng)依賴(lài)任何信號(hào)處理技術(shù)，例如將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，就像在電壓到頻率轉(zhuǎn)換器的情況下一樣。

電流隔離裝置可分為不同的類(lèi)別：變壓器、電容器、光隔離器、霍爾效應(yīng)隔離器和磁阻隔離器。變壓器廣泛用于電源隔離和電容器用于信號(hào)隔離。然而，這兩種類(lèi)型的隔離器僅適用于交流操作，兩種方法都具有針對(duì)不同頻率的非線(xiàn)性幅度特性。光隔離器和磁阻隔離器通常用于小信號(hào)隔離。然而，這些類(lèi)型的隔離器的增益溫度系數(shù)非常差。為了獲得良好的性能，線(xiàn)性電流隔離、高頻率增益線(xiàn)性度、低增益溫度系數(shù)、高信噪比，高動(dòng)態(tài)范圍和高響應(yīng)速度都是必需的。

霍爾效應(yīng)傳感器在運(yùn)行期間無(wú)需直接接觸信號(hào)即可非侵入式檢測(cè)磁場(chǎng)。我們最近報(bào)道了一種新型霍爾效應(yīng)傳感器[19]、[20]，我們?cè)谶@里擴(kuò)展了我們的研究，包括使用這些 QWHE 傳感器的新型電流隔離裝置。這種隔離器的設(shè)計(jì)允許線(xiàn)圈傳輸信號(hào)信息，并允許 QWHE 傳感器通過(guò)產(chǎn)生的磁場(chǎng)接收信號(hào)。由于 QWHE 傳感器的緊湊尺寸 (210μm×210μm)，隔離器系統(tǒng)特別適用于數(shù)據(jù)采集中的小型和高速信號(hào)隔離。除此之外，與其他可用的隔離器相比，QWHE 隔離器可以實(shí)現(xiàn)更高規(guī)模的集成。

此處將展示這些電流隔離器件可在 173K 至 400K 的溫度范圍內(nèi)有效使用，頻率范圍為 DC 至 10kHz，具有出色的頻率增益線(xiàn)性度和極低的增益溫度系數(shù)。

2.材料和方法

2.1.量子阱霍爾效應(yīng) (QWHE) 傳感器

大多數(shù)市售霍爾效應(yīng)傳感器都是基于硅的。這類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是易于與集成電路結(jié)合；但由于材料載流子遷移率低，它們的靈敏度受到限制。另一方面，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 霍爾效應(yīng)傳感器相比，QWHE 傳感器具有更高的材料載流子遷移率，因?yàn)?2DEG 位于異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子阱內(nèi).這是使用夾在兩個(gè)較大帶隙材料之間的窄帶隙半導(dǎo)體薄層來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)自高帶隙半導(dǎo)體供應(yīng)層的電子被吸引到量子阱中，因?yàn)檫@樣做在能量上是有利的。這些電子在界面處積累形成高遷移率 2DEG[11]、[20]。

這些研究中使用的 QWHE 傳感器由 AlGaAs/InGaAs/GaAs 材料制成，如先前報(bào)道的[20]、[21]，其磁場(chǎng)分辨率在 DC 時(shí)約為 1 μT，在較高頻率時(shí)<20 nT?。該傳感器具有低功耗（?~10 mW）、低電阻（~720?Ω）和緊湊的尺寸。這些 QWHE 傳感器的噪聲特性可與GMR和各向異性磁阻(AMR) 傳感器相媲美；但具有出色的線(xiàn)性度、更小的設(shè)備尺寸和超過(guò) 180 dB的寬測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。????

2.2.量子阱霍爾效應(yīng) (QWHE) 隔離器

所提出的 QWHE 隔離器的概述如圖 1 所示。隔離器設(shè)備使用 QWHE 傳感器作為接收器，以及用作發(fā)射器的兩層印刷線(xiàn)圈以形成隔離屏障。信號(hào)通過(guò)磁場(chǎng)的變化進(jìn)行傳輸和接收，無(wú)需物理連接。此設(shè)計(jì)包含兩個(gè)印刷電路板(PCB)，用于發(fā)射器線(xiàn)圈以及接收器 QWHE 傳感器的底座。發(fā)射器線(xiàn)圈具有 14 等效匝數(shù) N，等效線(xiàn)圈環(huán)路直徑R為 4.191毫米。線(xiàn)圈和傳感器之間的間隔距離d為 1.5 mm。

圖 1。量子阱霍爾效應(yīng)隔離器示意圖。

2.3.量子阱霍爾效應(yīng)隔離裝置電路設(shè)計(jì)

圖 2描繪了 QWHE 隔離原型裝置的框圖。發(fā)射器線(xiàn)圈偏置電流由函數(shù)發(fā)生器（function

Generator）提供，參考信號(hào)從函數(shù)發(fā)生器（Keysight/Agilent 33500B）輸入。QWHE隔離裝置是通過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈將信號(hào)電流轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)，然后通過(guò)帶有兩級(jí)放大器的高靈敏度QWHE傳感器將該磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為霍爾電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)隔離。使用電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)隔離裝置的偏移量。兩個(gè)低噪聲臺(tái)式電源用于為音頻放大器（發(fā)射器電路）提供電源，并分別為 QWHE 傳感器、信號(hào)放大器電路供電和偏移調(diào)整電路（接收電路）。

圖 2。QWHE隔離裝置的框圖。

2.4.QWHE 線(xiàn)性電流隔離裝置原型

圖 3顯示了 QWHE 電流隔離裝置原型的照片。包含傳感器偏置電流源和兩級(jí)放大器的設(shè)備主板如圖3（a）所示，QWHE隔離器如圖3?（b）所示。這些電路被分成兩個(gè)不同的部分，用于使用低溫恒溫器對(duì)隔離器進(jìn)行各種性能測(cè)試。QWHE 隔離器安裝在低溫恒溫器室內(nèi)。為了放大來(lái)自 QWHE 傳感器的差分霍爾電壓信號(hào)，主板上使用了商用儀表放大器(INA217)。該放大器具有寬電源電壓范圍具有出色的輸出電壓擺幅，以及非常低的輸入和輸出噪聲。圖 3 (a)所示的雙絞線(xiàn)用于連接外部電源（電池）。在圖 3?（b）中，兩根（紅色）電纜用于連接發(fā)射線(xiàn)圈的偏置電流信號(hào)輸入，三根（白色）同軸電纜用于連接 QWHE 傳感器隔離器和隔離設(shè)備主板。

圖 3。QWHE電流隔離裝置原型的照片，(a) 主板和 (b) QWHE隔離器部件。插圖顯示了 QWHE 傳感器和發(fā)射器線(xiàn)圈的示意圖。

3.結(jié)果

如圖2 所示，該QWHE隔離器通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化發(fā)送和接收信號(hào)信息來(lái)操作。因此，隔離器件的性能測(cè)試包括：QWHE 傳感器帶寬分析、兩級(jí)放大器波特圖、隔離器頻率響應(yīng)、隔離器增益溫度系數(shù)，最后是隔離器幅度線(xiàn)性度。

3.1.QWHE 傳感器的電容和頻率響應(yīng)

QWHE傳感器多層結(jié)構(gòu)中的等效電阻RHE和電容Cp存在于任意兩個(gè)歐姆觸點(diǎn)之間。為了測(cè)量Cp，構(gòu)建了一個(gè)等效電路模型來(lái)計(jì)算該電容對(duì)頻率響應(yīng)的影響。圖 4說(shuō)明了 QWHE 傳感器的等效電路。如上所述，P2A QWHE 傳感器的電阻RHE約為 720Ω[20]。

圖 4。QWHE傳感器的等效電路。

用1.0-5.0 MHz 頻率范圍內(nèi)的Keysight/Agilent B1500a 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，去測(cè)量三個(gè) P2A QWHE 傳感器（#1、#2 和 #3）的pin腳 1、3（輸入引腳）和pin腳 2、4（輸出引腳）之間的電容電容隨頻率變化的結(jié)果如圖 5 所示。所有三個(gè)傳感器的引腳 1-3 和引腳 2-4 之間的最大電容分別約為 5.5 和 5.2pF。

圖 5。引腳 1-3 和 2-4（輸入/輸出引腳）之間的QWHE電容。

對(duì)于高頻下的RC電路，電容器提供的電抗較小，因此輸出會(huì)隨著頻率的增加而降低。理論RC-3dB 截止頻率fcut（最大 QWHE 電容為 5.5pF）可以從以下等式獲得：

因此，P2A QWHE 傳感器的固有截止頻率約為 40.2MHz。

3.2.QWHE隔離器件接收電路放大級(jí)的波特圖

放大器級(jí)的工作帶寬是任何隔離器件的重要參數(shù)。使用惠斯通電橋配置測(cè)量接收器電路放大器級(jí)波特圖以提供參考差分信號(hào)輸入。圖 6顯示了以 dB 為單位的歸一化幅度的波特圖。對(duì)于倍頻程帶寬，典型的插入損耗規(guī)格約為 3dB（最大幅度的 0.707）。因此，接收器電路放大器級(jí)的隔離器件的 3 dB 帶寬約為 900kHz。

圖 6。接收器電路放大器級(jí)的波特圖（歸一化幅度）。

3.3.QWHE 隔離器頻率響應(yīng)

分別使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀 (SRS SR785) 和 6.5 位數(shù)字萬(wàn)用表(Keysight/Agilent 34461A DMM) 測(cè)量 QWHE 隔離設(shè)備輸出電壓和發(fā)射器線(xiàn)圈偏置電流。測(cè)量和理論磁場(chǎng)與頻率的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示。結(jié)果表明，隔離器的頻率響應(yīng)在 0–100kHz 的頻率范圍內(nèi)大致平坦（這是 SRS SR785 中可用的最高頻率）。相對(duì)誤差范圍為 0.29% 至 5.35%。它們比商業(yè)線(xiàn)性隔離器小得多，例如 Analog Device 的 AD215，其在 100 khz時(shí)的增益相對(duì)誤差為 58%。因此，QWHE 隔離器顯示出更有利的頻率響應(yīng)。

圖 7。QWHE線(xiàn)性隔離器頻率響應(yīng)和相對(duì)誤差（實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)分別是測(cè)量磁場(chǎng)和理論磁場(chǎng)）。

此外，圖 8顯示了理論和實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度與不同場(chǎng)強(qiáng)下頻率的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)。結(jié)果顯示出極好的擬合，表明隔離器在不同幅度下的頻率響應(yīng)在 0-10kHz 的頻率范圍內(nèi)也大致平坦。線(xiàn)圈施加 B 場(chǎng) 50-1000μT 的平均相對(duì)誤差范圍為 -1.77% 至 -2.28%，當(dāng)線(xiàn)圈施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，相對(duì)誤差略有下降。不同外加磁場(chǎng)范圍的相對(duì)誤差中位數(shù)均約為 2.2%。

圖 8。在不同的線(xiàn)圈偏置頻率下，測(cè)量的 B 場(chǎng)（實(shí)線(xiàn)）與其理論 B 場(chǎng)（虛線(xiàn)）進(jìn)行比較。

3.4.QWHE 隔離器幅度線(xiàn)性度

還測(cè)量了具有不同線(xiàn)圈偏置頻率的 QWHE 隔離器振幅線(xiàn)性度。接收器傳感器從發(fā)射器線(xiàn)圈檢測(cè)到的B場(chǎng)（以 μT 為單位）可以使用以下等式計(jì)算，該等式源自 Biot-Savart 定律：

(2)其中發(fā)射器線(xiàn)圈等效匝數(shù)N=14，等效線(xiàn)圈回路直徑R=4.191mm，線(xiàn)圈到傳感器的距離d=1.5mm，自由空間磁導(dǎo)率μ0=1.26×10-6Hm-1，I是線(xiàn)圈偏置電流（A）。

此外，隔離裝置的測(cè)量磁場(chǎng)可以從方程式的電路輸出電壓估計(jì)。

其中 QWHE 傳感器靈敏度 s=0.17VT-1mA-1，傳感器偏置電流Ibias=3mA，電路增益G=1000，B是 QWHE 傳感器測(cè)量的 B 場(chǎng)強(qiáng)度（單位 T）。

圖 9顯示了不同頻率下實(shí)測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度（根據(jù)隔離裝置電路輸出電壓計(jì)算）與理論磁場(chǎng)強(qiáng)度（根據(jù)發(fā)射線(xiàn)圈偏置電流計(jì)算）之間的關(guān)系。觀察到輸出電壓和發(fā)射器線(xiàn)圈偏置電流之間的高度線(xiàn)性關(guān)系，以及不同頻率下的測(cè)量和理論B場(chǎng)之間的高度線(xiàn)性關(guān)系。對(duì)于這些關(guān)系中的每一個(gè)，計(jì)算得出的R2≈ 1.0。這一結(jié)果表明，QWHE 隔離器在不同頻率下的幅度是高度線(xiàn)性的。

圖 9。(a) 電路輸出電壓和施加的線(xiàn)圈電流和 (b) 測(cè)量和理論 B 場(chǎng)之間的關(guān)系。

3.5.增益溫度系數(shù)

使用 Oxford Optistat DN2低溫恒溫器，使用液氮冷卻和可編程溫度控制器進(jìn)行增益溫度系數(shù)測(cè)量。測(cè)量的 B 場(chǎng)數(shù)據(jù)是使用向發(fā)射器線(xiàn)圈施加的 100mA 電流獲得的。不同頻率下實(shí)測(cè)B場(chǎng)與溫度的曲線(xiàn)如圖10所示。在 DC 到 10 之間的頻率曲線(xiàn)的輪廓kHz 相似，表明測(cè)量的 B 場(chǎng)值隨著溫度的升高而平穩(wěn)下降。這是由于 QWHE 隔離器的發(fā)射器和接收器幅度隨溫度略有變化。這些幅度變化是由電流到磁場(chǎng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換誤差（通過(guò)傳輸）和磁場(chǎng)測(cè)量誤差（通過(guò)接收）引起的。此外，插圖顯示了測(cè)量 B 場(chǎng)的溫度依賴(lài)性變化，表明溫度系數(shù)發(fā)生了變化。因此，該 QWHE 隔離器在低溫和高溫下具有兩種不同的增益溫度系數(shù)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)約為 280K。

圖 10。在不同線(xiàn)圈偏置頻率下測(cè)量的 B 場(chǎng)與溫度的關(guān)系圖。插圖顯示了 B 場(chǎng)的溫度依賴(lài)性，表明QWHE隔離器的增益溫度系數(shù)發(fā)生了變化。

隨著溫度的升高，由于 QWHE 傳感器靈敏度的變化和線(xiàn)圈架及其繞組的膨脹[22]，在發(fā)射器線(xiàn)圈中心測(cè)量的B場(chǎng)（承載恒定電流Is）會(huì)降低。在這個(gè)發(fā)射器線(xiàn)圈的中心，磁通密度B 隨溫度變化：

其中T是器件溫度 (K)；To是參考溫度（在這項(xiàng)工作中，To=273K）；α是器件增益溫度系數(shù)（K-1）；kso是參考溫度To下的線(xiàn)圈常數(shù)。

QWHE 隔離器的幅值與溫度的變化有關(guān)，如下式所示：

其中GL和GLo分別是T和To處的器件增益。重新排列方程。

從方程式。(6)很明顯，(T-To) 與 [(GL-GLo)/GLo] 的關(guān)系圖是線(xiàn)性的，梯度等于 α。圖 11顯示了這一點(diǎn)，在六個(gè)不同的線(xiàn)圈偏置頻率下。通過(guò)原點(diǎn)的每個(gè)回歸的R2如圖 11(a)-(f) 所示。從圖 11可以明顯看出，QWHE 隔離器具有兩種不同的增益溫度系數(shù)，一種在低溫下，一種在高溫下。增益溫度系數(shù)隨溫度的變化表明控制器件增益的機(jī)制發(fā)生了變化。

圖 11。QWHE隔離器在選定的線(xiàn)圈偏置頻率下的 [(GL-GLo)/GLo] 與 (T-To) 的關(guān)系圖，其中R12和R22是低溫和高溫下的 R 平方地區(qū)分別。

低溫區(qū)增益溫度系數(shù)α1的計(jì)算值如表1所示。它們的范圍從 6.68×10-4到 7.49×10-4K-1。類(lèi)似地，高溫區(qū)的溫度系數(shù)α2的計(jì)算值從2.96×10-4到3.43×10-4K-1變化。這表明 QWHE 傳感器在高溫區(qū)域的性能更好。此外，α1與α2的比值范圍為 2.09-2.26，平均比率為 2.20。

表 1。不同頻率下兩個(gè)增益溫度系數(shù)的計(jì)算值匯總。

4.討論

對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，以下特性描述了電流隔離器的期望行為： (1) 頻率增益線(xiàn)性；(2) 低增益溫度系數(shù)；(3) 工作頻率范圍廣；(4) 低輸出噪聲。這項(xiàng)工作中報(bào)告的性能測(cè)試表明，線(xiàn)性QWHE電流隔離器原型滿(mǎn)足上述所有特性。

最常用的隔離器是光隔離器（光耦合器）和電容或電感耦合器（變壓器）。這些設(shè)備的一些常見(jiàn)缺點(diǎn)是它們通常具有有限的線(xiàn)性度和頻率性能。此外，變壓器不能通過(guò)低頻或直流信號(hào)。此外，它們通常體積龐大，需要混合封裝，這是集成電路制造的一個(gè)相當(dāng)大的限制[23]。例如，Analog Device 的 AD215 變壓器線(xiàn)性隔離器，在 100kHz 時(shí)的增益相對(duì)誤差 ≥58%，并且具有相當(dāng)大的功耗。光隔離器速度慢、體積大、可靠性有限且線(xiàn)性度差。

與市售的硅線(xiàn)性霍爾傳感器相比，QWHE 傳感器在最小可檢測(cè)磁場(chǎng)隨頻率變化方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[19]?。QWHE 隔離器具有更低的噪聲和寄生電容、更寬的溫度和頻率工作條件、更高的線(xiàn)性度、更高的靈敏度和緊湊的尺寸。這些因素共同構(gòu)成了高質(zhì)量的電流隔離器。

如前所述，增益溫度系數(shù)隨溫度的變化表明控制機(jī)制發(fā)生了變化。PCB中鋁的電阻溫度系數(shù)約為4.29×10-3K-1，低于α1和α2。因此，PCB電路的電阻溫度系數(shù)不是QWHE電流隔離器件增益的主要控制機(jī)制。通常，隨著 2DEG 溫度的降低，電子遷移率會(huì)增加，這與觀察到的 QWHE 傳感器增益溫度系數(shù)的行為相匹配（溫度依賴(lài)性遵循 T-n，n～3/2[24]的相關(guān)性）。因此，低溫和高溫區(qū)域溫度系數(shù)的控制機(jī)制更可能是由于 2DEG QWHE 傳感器的電子遷移率隨溫度的變化。

5.結(jié)論

電流隔離器在兩個(gè)通信點(diǎn)之間提供信息和電源交換，同時(shí)防止兩個(gè)電路之間的實(shí)際電流流動(dòng)，保護(hù)用戶(hù)和設(shè)備免受潛在危險(xiǎn)的電流和電壓浪涌的影響。這現(xiàn)在是工業(yè)工程中大多數(shù)法律法規(guī)的一部分。此處報(bào)道的QWHE傳感器可用于制造出色的電流隔離器。這種新器件帶來(lái)了新的緊湊和節(jié)能隔離器，其多通道功能允許設(shè)備設(shè)計(jì)具有更小的外形尺寸。QWHE 隔離裝置具有高性能和非常小的尺寸（傳感器尺寸為 210μm×210μm) 使其便于在通信、航空航天、信息和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用

審核編輯：湯梓紅