hall传感器解析

4.霍尔元件的误差及其补偿
霍尔元件主要误差及补偿方法包括两个方面：
（1）霍尔元件的零位误差及其补偿
?不等位电势
零位误差
??寄生零位电势 ??感应零电势
??自激场零电势
①不等位电势及其补偿
当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时， 其霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势 称为不等位电势。
产生原因： ◆制造工艺不可能保证两个霍尔电极对称地焊
⑵ UH B特性
指霍尔电势与磁场强度 之间的关系。 控制电流 一定时，霍尔元件的开 路霍尔输出随磁感应强 度增加而增大，但不完 全呈线性关系，只有当
B 0.5T（即5时00，0G才s）呈
现较好的线性见图示。
⑶ R B特性
指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场 B 之间的关系。
实验结果显示， 霍尔元件的内阻 随磁场绝对值的 增加而增加，此 现象称为磁阻效 应。
磁阻效应产生机理
利用磁阻效应制作的元件——磁阻元件, 可用来测量磁感应强度等许多非电量。
磁阻效应的大小除与材料中载流子的迁 移率有关（迁移率愈大，磁阻效应愈显著） 外，还与元件的几何形状有密切关系，如长 宽比愈小，磁阻效应愈大。
作为霍尔式传感器，其磁阻效应的存在 会使霍尔输出降低，特别在强磁场时，输出 降低较多，必要时需采用一定的方法予以补 偿。
当载流材料和几何尺寸确定后，U H 的大小正比于控制电流和磁感应强度，即：
UH ? KH ?I ?B
UH ? I ?B
因此可用于测量磁场（I恒定），检测电流 （B恒定），还可制成各种运算器（I、B 均作为变量，可作乘法器、功率计等）。 当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时， 将反映磁场的变化，由此可用于检测微小 位移、压力和机械振动等。
2.霍尔元件（材料、结构）
基于霍尔效应工作的 半导体器件称霍尔元件。 其外形、结构如图示。 a
霍尔元件的结构很简
单，它由霍尔片、引线
和壳体组成。
c
d b
长度方向的两端面上焊有两根引线（图中 a,b）作为控制电流端引线，焊接处称控制
电极（激励电极）,要求接触电阻要小并呈 纯电阻。
另两侧端面的中间以点的形式对称焊有 两根霍尔电势输出端引线，焊接处称霍尔
FE ? FL ? 0
? ? ?
F
E
?
e ?EH
?
e ?U H b
?
?? FL ? e ?v ?B
v ?B ? U H b
UH ? b ?v?B
电流密度 j ? ? nev，其中n为N型半导体
中的电子浓度,负号表示电子运动速度方向 与电流方向相反。所以通过半导体的电流的 大小为：
I ? j ?b?d ? n?e?v?b?d
在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于 同一等位面上；
◆霍尔片电阻率及厚薄不均匀； ◆ 控制电极接触不良。
产生不等位电势示意图
霍尔效应Hall effect ——金属或半 导体薄片置于磁感应强度为的磁场中， 当有电流通过时，在垂直于电磁场的 方向上将产生电动势，这一物理现象 称为霍尔效应，相应的电动势称为霍 尔电势。
霍尔效应在高纯度半导体中表现很显著， 以半导体材料制成的霍尔式传感器已广泛用 于很多领域中。
z
B
FL ＝FH
M
－－－－－－－ y
NIຫໍສະໝຸດ ++++++++
EH
x
霍尔效应原理图
霍尔效应原理图
长为L，宽为b，厚为d 的N型半导体薄片， 置于磁感应强度为B的外磁场中，当半导体 中通以电流I时，其中的截流子（电子）将沿 着与电流相反的方向运动。由于外磁场B的 存在，电子将受到洛仑兹力的作用发生偏转， 结果在半导体的后端面上有电子积累，前端 面因缺少电子有正电荷积累，因此在半导体 的两个侧面产生电场。电场力又将阻止电子 继续偏转，当电场力与洛仑兹力相等时，电 子的积累达到动态平衡，即：
三、霍尔式传感器 Hall sensor
霍尔式传感器是利用霍尔效应原理 将被测量如电流、磁场、位移、压力等 转换成电动势输出的一种传感器。
优点: 结构简单，体积小，坚固；频响 范围宽（从直流到微波），动态范围大； 使用寿命长,可靠性高；易微型化和集 成电路化。 缺点：转换效率较低；受温度影响大。
1.工作原理——霍尔效应
电极，要求欧姆接触，电极的宽度与霍尔片 的长度之比要小于0.1，电极位于1/2处,此 时霍尔电势为最大值。
霍尔元件的壳体用非导磁金属，陶瓷或 环氧树脂封装。
霍尔元件外形、结构和符号
霍尔元件最常用的材料有：
锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟
(InAs)等。 锑化铟材料霍尔系数大，但对温度最敏感，
电子运动的速度为 ：
v? I nebd
I ?B
I ?B
UH ? n ?e ?d ? RH ? d ? KH ?I ?B
RH
?
1 (m3.C ?1) ne
——霍尔系数
KH
?
RH (V ?A?1 ?T?1) d
——灵敏度系数
KH 与半导体材料的物理性质和几何尺寸有关。
KH 物理意义表示在单位磁感应强度和单位
磁阻效应——指霍尔元件的内阻随磁 场的绝对值增加而增加的现象。
磁阻效应产生的本质源于材料中载流子运 动速度具有一定的统计分布。以速度v2运 动的电子，当 FL ?时fE，电子沿直线运动； 速度为v1﹤ v2的电子，FL ，fE 电子向fE方 向偏转；速度为v3﹥v2的电子， FL ，fE电子向FL方向偏转，由此造成控制 电流方向电流密度减小，即由于磁场的存 在增加了元件的内阻。
受温度影响较大； N型锗容易加工制造，其霍尔系数，温度性
能和线性度都较好； 砷化铟霍尔系数较小，受温度的影响比锑
化铟要小（温度系数较小）且线性度较好。 时多采用锑化铟材料。
3.霍尔元件的电磁特性
? UH I特性
电磁特性包括
? ?
U
H
B特性
? ?
R
B特性
（1）UH I 特性
指控制电流与霍尔 电势之间的关系。 当磁场恒定，在一 定环境温度下，控 制电流与霍尔电势 之间呈线性关系。
控制电流时霍尔元件输出的霍尔电势的大小。
若霍尔元件为P型半导体，载流子为空穴， （其浓度为P）则霍尔电势为：
UH
?
I ?B p ?e ?d
一般电子的迁移率大于空穴迁移率，故
N型半导体的霍尔系数大于P型半导体的
霍尔系数，因此霍尔元件多用N型半导体
材料。由于
K
与元件厚度d成反比，d越小，
H
越大K，H 因此一般霍尔元件都很薄。