磁电式传感器霍尔传感器(1)

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霍尔元件的误差及补偿 1．霍尔元件的零位误差与补偿
> 0.35 >0.75 30-220 >2.5 _ _ _ _ 50-1100 <0.5 <1 <V H 的 20% _ ± 10 ± 10 ± 10 ± 10 10
VH 温 度 系 数 (%/ ℃)
0.1 0.07 -0.05 -0.02 -2 -2 -0.3 -0.3 <-0.3 127
5 -10 200-800 200-800 > 5 40-290 80-600 80-120 40 8-60 8-60 80-400 30 8-65 8-65 80-430 80-430
133
K
H

R
d
H

1 ned
练习题
• 1、制作霍尔元件应采用的材料是 半导体材料 ，因为 半导体材料能使截流子的迁移率与电阻率的乘积最大，而 使两个端面出现电势差最大。 • 2、霍尔片不等位电势是如何产生的原因是重要起因是 不能将霍尔电极 焊接在同一等位面上。 • 3、霍尔电动势与哪些因素有关?如何提高霍尔传感器的灵 敏度? • 3答：霍尔电动势与霍尔电场EH、载流导体或半导体的宽 度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度u、 磁场感应强度B、电流I有关。 •  霍尔传感器的灵敏度KH =RH/d。为了提高霍尔传感器的 灵敏度，霍尔元件常制成薄片形。又因为霍尔元件的灵敏 度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的 材料作霍尔元件。
故霍尔电场的强度为
EH=vB
所以，霍尔电压UH可表示为
UH = EH b = vBb
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流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt =-bdvnq
得：
v = -I / nqbd
所以：
若取
UH = -BI / nqd
RH = -1 / nq 则
UH IB RH d
RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系 数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效 应的强弱。
(a) 霍尔元件外形
(b)电路符号
(c) 基本应用电路
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二、霍尔元件材料
电阻率、载流子迁移率、霍尔系数
1．锗(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)．N型及P型均可。
3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两 种材料的特性很相似。
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霍尔元件的构造及测量电路
基于霍尔效应工作的半导体器件称为
v E I
U
l
U vbB bB H 所以 l
U
RH BUb IB RH B U RH B U U H RH d d R d l l bd 比较得出电阻率 与霍尔系数RH和 RH 载流子迁移率之 或 RH 间的关系： 112
而
结论：① 如果是P型半导体，其载流子是空 穴，若空穴浓度为p，同理可得 U H
5、热阻RQ
它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输 入lmW的电功率时产生的温升，单位为0C／mW。所 以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件 下与电阻有关.
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6.灵敏度
K H RH / d
减小d;
选好的半导体材料
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霍尔元件的主要技术参数
型号
EA218 FA24 VHG-110 AG1 MF07FZZ MF19FZZ MH07FZZ MH19FZZ KH-400A
U H vbB
U
l
bB
根据上式，d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度 愈高. 所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄膜霍尔元 件的厚度只有1m左右。但d过小，会使元件 的输入、输出电阻增加。
④ 霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。
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可以推出，霍尔电动势UH的大小为：
U H kH IB cos
第六章 磁敏传感器
霍尔传感器
Hall Sensor
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霍尔式传感器
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中 发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效 应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的 发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由 于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍 尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、 振动等方面的测量。
150-250 80-400
250-550 240-550 50-110
霍尔片基本测量电路图如下所示。
4 1
B
3
UH
Ic
2
E
•
（1）霍尔器件为四端口元件，其中1-3为（ 控制 ）电极；2-4为 （ 霍尔 ）电极； • （2）霍尔元件的输入电阻是指（ 控制）电极间的电阻值，输出电阻 是指（ 霍尔 ）电极间的电阻值。 • （3）霍尔片的不等位电势U0由不等位电阻r0引起，发生在（ 霍尔） 电极上.
应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。
这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。
U0 KH IB B0 0
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产生的原因有: ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面
上 ; ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不
均匀（如片厚薄不均匀等） ; ③ 激励电极接触不良造成激励电 流不均匀分布等。 这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电势。
引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔
电极。
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2) 霍尔元件的材料 锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓 (GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-2所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。
禁带宽度 Eg/(eV) 0.66 1.107 0.17 电阻率 cm) /(Ω · 1.0 1.5 0.005 电子迁移率 /(cm² /V· s) 3500 1500 60000 霍尔系数 RH/(cm³ · C-1) 4250 2250 350

霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻， 寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz)，耐振动，不怕 灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、 无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。采 用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达 m 55～+150℃。
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霍尔传感器的工作原理 1．霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直 于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向 上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。
B C A 磁感应强度B为零时的情况
15
D
当有图示方向磁场B作用时
作用在半导体薄片上的磁场强度 B越强，霍尔电势也就越高。 霍尔电势UH可用下式表示： UH=KH IB
霍尔元件是一 种四端元件
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霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的 一种传感器。霍尔器件是一种磁敏传感器，利用半导体元件对磁 场敏感的特性来实现磁电转换，它们可以检测磁场及其变化，可 在各种与磁场有关的场合中使用。 按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开 关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。
IB ped
② 霍尔电压UH与材料的性质有关。
RH
由上式可知、大，霍尔系数就大。
金属虽然很大，但很小，不宜做成霍尔 元件；绝缘材料的 很高，但很小，也不 能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件 都是半导体材料制成的。
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③ 霍尔电压UH与元件的尺寸有关。
KH RH d
n为半导体中的电子浓度，即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。
110
设
KH
RH d
U H K H IB
KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在 单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的 大小. 单位是mV/（mA· T）
1 KH nqd
111
材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移 率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度 v 值。即 EI
件做好后，限制额定电流的主要因素是散热条件。 2.输入电阻Ri和输出电阻RO
Ri 是指控制电流极之间的电阻值。 R0 指霍尔电极间的电阻值。 Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。
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3.不等位电势U0及零位电阻r0
在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极 间的空载霍尔电势。 当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感
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二、测量电路
霍尔元件的基本测量电路如图522所示。 激励电流由电源E供给，可 变电阻RP用来调节激励电流I的大小。 RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通 常它是显示仪表、记录装置或放大器 的输入阻抗。
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图5-22 霍尔元件的基本测量电路
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RL （a）基本测量电路 W E
UH
W1
W2
式中：kH为灵敏度系数，kH= RH/d，表示在单位磁感应强度和单 位控制电流时的霍尔电动势的大小 ,与材料的物理特性（霍尔系 数）和几何尺寸d有关；
霍尔系数RH＝1/(nq)，由材料物理性质所决定，q为电子电荷量 ； n为材料中的电子浓度。 为磁场和薄片法线夹角。
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2．霍尔元件 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4 mm×2 mm×0.1 mm)， 经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极， 最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上 用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊 上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端 引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环 氧树脂封装。