磁电式传感器霍尔传感器(1)

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。
114
可以推出，霍尔电动势UH的大小为：
U H kH IB cos
材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb)
1/ 2
4000 1840 4200
砷化铟(InAs)
磷砷铟(InAsP)
0.36
0.63
0.0035
0.08
25000
10500
100
850
1530
3000
哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
121
6.2.3 霍尔元件的技术参数
1.额定激励电流IH 使霍尔元件温升10°C所施加的控制电流值。当霍尔元
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
123
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。
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
19
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。
134
霍尔元件的误差及补偿 1．霍尔元件的零位误差与补偿
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。
115
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。
霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体 材料。霍尔元件越薄(d 越小)，kH 就 越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线 和壳体组成，如图所示。
118
一、构 造
119
霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为
4mm×2mm×0.1mm)，它的长度方向两端面上 焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊 接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中 间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出
(a) 霍尔元件外形
(b)电路符号
(c) 基本应用电路
116
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。
117
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
材料
InAs InAsP GaAs Ge InSb InSb InSb InSb InSb
控制 电流 (mA)
100 100 5 20max 10 10 1V 1V 5
霍尔 电压 (mV, 0.1T)
> 8.5 > 13
输入 电阻 (Ω )
3 6.5
输出 电阻 (Ω )
1.5 2.4
不等 灵敏度 位电 (mV/m 势 A.T) (mV)
14
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
128
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。
129
图5-22 霍尔元件的基本测量电路
130
RL （a）基本测量电路 W E
UH
W1
W2
霍尔元件是一 种四端元件
13
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。
> 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
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.
125
6.灵敏度
K H RH / d
减小d;
选好的半导体材料
126
霍尔元件的主要技术参数
型号
EA218 FA24 VHG-110 AG1 MF07FZZ MF19FZZ MH07FZZ MH19FZZ KH-400A
不等位电阻
不等位电势也可用不等位电阻表示:
式中: U0——不等位电势; r0——不等位电阻;
U0 r0 IH
IH——激励电流。
由上式可以看出 , 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻 124 r0所产生的电压。
4、寄生直流电势
当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时， 霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。 其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而 直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势 V 。
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。
122
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
~
UH
UH
（b）直流供电输出方式 （c）交流供电输出方式
131
霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个
霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获 得较大的UH。
霍尔元件的连接电路
132
练习题
• 1、制作霍尔元件应采用的材料是 ，因 为半导体材料能使截流子的 的乘积最 大，而使两个端面出现 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 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：
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
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。
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.
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℃。
16
霍尔效应演示
B
C D A
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内 侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电 势。
17
一、 霍尔效应
B d
b FL v I UH
FE
l
图 霍尔效应
18
设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时
FL = qvB 当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡， 这时有 qEH=qvB
第六章 磁敏传感器
霍尔传感器
Hall Sensor
12
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。
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
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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
引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔
电极。
120
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
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