霍尔元件传感器原理

2008-01-05 18:55

一、霍尔元件的工作原理：

霍尔元件应用霍尔效应的半导体。

二、霍尔元件的特性：

1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH

在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。 另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。

2、霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度）

霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍尔常数。

3、霍尔额定激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

4、霍尔最大允许激励电流

以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。

5、霍尔输入电阻

霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。

6、霍尔输出电阻

霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。

7、霍尔元件的电阻温度系数

在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位为%/℃。

8、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点）

在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差

称为不等位电势。

9、霍尔输出电压

在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。

10、霍尔电压输出比率

霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率

11、霍尔寄生直流电势

在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。

12、霍尔不等位电势

在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。

13、霍尔电势温度系数

在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。

所谓霍尔效应所谓霍尔效应，，是指磁场作用于载流金属导体是指磁场作用于载流金属导体、、半导体中的载流子时半导体中的载流子时，，产生横向电位差的物理现象物理现象。。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的年被美国物理学家霍尔发现的。。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场若在垂直于电流的方向施加磁场，，则金属箔片两侧面会出现横向电位差则金属箔片两侧面会出现横向电位差。。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显霍尔效应比金属箔片中更为明显，，而铁磁金属在居里温度而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应以下将呈现极强的霍尔效应以下将呈现极强的霍尔效应。。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。。霍尔电位差UH 的基本关系为 UH=RHIB/d （18） RH=1/nq （金属金属）） （19） 式中 RH——霍尔系数霍尔系数：：

n——载流子浓度或自由电子浓度载流子浓度或自由电子浓度；； q——电子电量电子电量；； I——通过的电流通过的电流；；

B——垂直于I 的磁感应强度的磁感应强度；； d——导体的厚度导体的厚度。。 对于半导体和铁磁金属对于半导体和铁磁金属，，霍尔系数表达式与式霍尔系数表达式与式（（19）不同不同，，此处从略此处从略。。 由于通电导线周围存在磁场由于通电导线周围存在磁场，，其大小与导线中的电流成正比其大小与导线中的电流成正比，，故可以利用霍尔元件测量出磁场磁场，，就可确定导线电流的大小就可确定导线电流的大小。。利用这一原理利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器可以设计制成霍尔电流传感器可以设计制成霍尔电流传感器。。其优点是不与被测电路发生电接触不与被测电路发生电接触，，不影响被测电路不影响被测电路，，不消耗被测电源的功率不消耗被测电源的功率，，特别适合于大电流传感传感。。

若把霍尔元件置于电场强度为E 、磁场强度为H 的电磁场中的电磁场中，，则在该元件中将产生电流I ，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度E 成正比成正比，，如果再测出该电磁场的磁场强度如果再测出该电磁场的磁场强度，，则

电磁场的功率密度瞬时值P 可由P=EH 确定确定。。 利用这种方法可以构成霍尔功率传感器利用这种方法可以构成霍尔功率传感器。。

如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，，当装在运动物体上的永磁体经过它时体经过它时，，可以从测量电路上测得脉冲信号可以从测量电路上测得脉冲信号。。根据脉冲信号列可以传感出根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的该运动物体的位移位移。。若测出单位时间内发出的脉冲数若测出单位时间内发出的脉冲数，，则可以确定其运动速度则可以确定其运动速度。。

霍尔元件的结构及工作原理

霍尔元件的结构及工作原理

霍尔元件是根据霍尔效应进行磁电转换的磁敏元件，其典型的工作原理图如图所示。霍尔元件是一个N型半导体薄片，若在其相对两侧通以控制电流I，而在薄片垂直方向加以磁场氏则在半导体另外两侧便会产生一个大小与电流，和磁场B的乘积成工比的电压。这个现象就是霍尔效应，所产生的电压叫霍尔电压UR.

式中:UH---霍尔电压；

RH---霍尔系数；

d---霍尔元件的厚度;

I---通过霍尔元件的电流;

B---加在霍尔元件上的磁场磁力线密度;

---元件形状函数，其中L为元件的长度，W为元件的宽度。

从上面的公式可以看出，霍尔电压正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定以及霍尔元件形状确定的条件下，霍尔电压正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电压的符号也随之改变因此，霍尔元件可以用来测量磁场的大小及方向。