磁敏传感器

子的运动速度。
一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此制作霍
尔元件时多采用N型半导体材料。
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第9章 磁敏传感器
若设
KH RH / d 1 / ned
(9-9)
将上式代入(9-7)式，则有
UH KH IB
(9-10)
KH称为元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感 应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位
是 mV / mAT。
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第9章 磁敏传感器
由(9-9)式说明： ①由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或 灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件； ②元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔 片时可采取减小d的方法增加灵敏度，但是不能认为d 越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。
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于是电流强度I可表示为
I nevbd
v I / nebd 式中 d—霍尔元件的厚度。
(9-4)
将(9-4)式代入(9-3)式，得
UH IB / ned
(9-5)
若霍尔元件采用P型半导体材料，则可推导出
UH IP / ped 式中 p—单位体积中空穴数。
(9-6)
由(9-5)式及(9-6)式可知，根据霍尔电势的正负可
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第9章 磁敏传感器
9.1.1 霍尔元件原理、结构及特征 (1)霍尔效应 图9-1为霍尔效应原理图。在与磁场垂直的半导体 薄片上通以电流I，假设载流子为电子(N型半导体材 料)，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的 作用，电子将向一侧偏转(如图中虚线箭头方向)，并使 该侧形成电子的积累。而另一侧形成正电荷积累，于是 元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面 偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时， 电子的积累达到动态平衡。这时在两端面之间建立的电 场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。
(e)(EH )
eUH b
(9-2)
式中 EH —指电场方向与所规定的正方向相反； b—霍尔元件的宽度。
当达到动态平衡时，二力代数和为零，即 fL fE 0 ,
于是得
vB UH
(9-3)
又因为
b
j nev
式中 j—电流密度；
n—单位体积中的电子数，负号表示电子运动方
向与电流方向相反。
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第9章 磁敏传感器
在电路中，霍尔元件常用如图9-4所示的符号表示。
图9-4 霍尔元件的符号
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霍尔元件型号命名法如图9-5所示。
图9-5 霍尔元件型号命名法
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霍尔元件型号及参数如表9-1所示。
表9-1 霍尔元件型号及参数
参数 型号
HZ-1 HZ-2 HZ-3 HZ-4
额定控制电 流I(mA)
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设电子以相同的速度v 按图示方向运动，在磁感 应强度B的磁场作用下，并 设其正电荷所受洛仑兹力 方向为正，则电子受到的 洛仑兹力可用下式表示
fL=-evB
(9-1)
式中 e—电子电量。
图9-1 霍尔效应原理图
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第9章 磁敏传感器
与此同时，霍尔电场作用于电子的力 fE可表示为
fE
通常应用时，霍尔片两端加的电压为E，如果将(9-
5)式中电流I改写成电压E，可使计算方便。根据材料
电阻率公式
及1/霍ne尔片电阻表达式
R L
S
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这里S为霍尔片横截面，S bd ，L为霍尔片的长
度，将(9-5)式代入 I E / R 经整理可改写为
UH
b L
EB
(9-12)
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第9章 磁敏传感器
(4)基本电路形式 霍尔元件的基本测量电路如图9-6所示。控制电流 由电源E供给，R为调整电阻，以保证元件中得到所需 要的控制电流。霍尔输出端接负载RL，RL可以是一般电 阻，也可以是放大器输入电阻或表头内阻等。
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霍尔元件的结构比较简单，它由霍尔片、引线和壳 体组成，如图9பைடு நூலகம்3所示。霍尔片是一块矩形半导体薄片。
图9-3 霍尔元件示意图
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在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线(见 图9-3中1、1′)，在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔 电势输出端引线(见图中2、2′)，焊点要求接触电阻小 (即为欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环 氧树脂封装。
以判别材料的类型。
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第9章 磁敏传感器
(2)霍尔系数和灵敏度
设RH 1/ ne ，则(9-5)式可写成
UH RH IB / d
(9-7)
RH称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。
由电阻率公式 1/ ne ，得
RH
式中 ρ—材料的电阻率；
(9-8)
μ—载流子的迁移率，即单位电场作用下载流
还应指出，当磁感应强度B和霍尔片平面法线n
成角度θ时，如图8-2所示，此时实际作用于霍尔片的
有效磁场是其法线方向的分量，即 B cos ，则其霍尔
电势为
U H KH IB cos
(9-11)
由上式可知，当控制电流转向时，输出电势方向也
随之变化；磁场方向改变时亦如此。但是若电流和磁场
同时换向，则霍尔电势方向不变。
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9.1 霍尔元件 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。虽然早 在1856年和1879年就发现了霍尔效应和磁阻效应，但是 作为实用的磁敏传感器则产生于半导体材料发现之后。 在20世纪60年代初，西门子公司研制成第一个实用的磁 敏元件；1966年又出现了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年 和1971年日本索尼公司相继研制成性能优良、灵敏度高 的锗、硅磁敏二极管；在1974年美国韦冈德发明双稳态 磁性元件。
18 15 22 50
灵敏度 (mV/mA·T)
≥1.2 ≥1.2 ≥1.2 ≥0.4
使用温度 （℃）
-20～45 -20～45 -20～45 -30～75
霍尔电势温度 系数（1/℃）
0.04% 0.04% 0.04% 0.04%
尺寸 (m3)
8×4×0.2 8×4×0.2 8×4×0.2 8×4×0.2
由(9-12)式可知，适当地选择材料迁移率(μ)及霍 尔片的宽长比(b/L)，可以改变霍尔电势UH值。
图9-2 霍尔输出与磁场角度的关系
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第9章 磁敏传感器
(3)材料及结构特点 霍尔片一般采用N型锗(Ge)、锑化铟(InSb)和砷 化铟(InAs)等半导体材料制成。锑化铟元件的霍尔输出 电势较大，但受温度的影响也大；锗元件的输出虽小， 但它的温度性能和线性度却比较好；砷化铟与锑化铟元 件比较，前者输出电势小，受温度影响小，线性度较 好。因此，采用砷化铟材料作为霍尔元件受到普遍重 视。