第八章霍尔传感器
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第八章霍尔传感器
霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关： KH=1/ned
厚度d越小越好，一般d=0.01mm； 宽度b加大，或长宽比（l/b）减小时，将会使UH下降，
应加以修正
式中，f(l/b)—形状效应系数，如表9-2所示。一般取 l/b=2~2.5，则f(l/b)1，就足够了。
第八章霍尔传感器
霍尔元件示意图 a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图
式中，Ro0—温度为t0时霍尔元件的输出电阻。 要使负载电压UL不随温度变化，即
第八章霍尔传感器
❖ 3.采用恒压源和输入回路串联电阻 ❖ 当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开
路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电 阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式
第八章霍尔传感器
温度误差及其补偿
❖ 温度误差产生原因： ❖ 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
第八章霍尔传感器
第一节 霍尔元件的工作原理及特性
❖ 金属或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，当有电流流过薄片 时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动 势，这种现象称霍尔效应。如图所示。
第八章霍尔传感器
霍尔效应原理图
第八章霍尔传感器
❖ 霍尔效应所产生的电势称霍尔电势，大小与控 制电流I和磁感应强度B的乘积成正比例。半导 体薄片称霍尔片或者霍尔元件。
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 ❖ 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
第八章霍尔传感器
减小霍尔元件的温度误差
❖ 选用温度系数小的元件 ❖ 采用恒温措施 ❖ 采用恒流源供电
第八章霍尔传感器
从式evB= e UH /b知，霍尔电压UH与载流子的运动速度 v有关， 即与载流子的迁移率有关。由于= v/El(El为电流方向上 的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载 流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为
RH= •金属导体：大，但小（n大）； •绝缘体：大（n小），但小； 它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 •半导体：、适中—适宜作霍尔元件。
第八章霍尔传感器
❖ 5.寄生直流电势UoD ❖ 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔 ❖ 电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD。它主要是由 ❖ 于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造 ❖ 成的。 ❖ 6.霍尔电势温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C）。 ❖ 7.电阻温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔元件电阻变化的百分（%/C） ❖ 8.灵敏度温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔元件灵敏度的变化率。 ❖ 9.线性度
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
第八章霍尔传感器
❖ 2．选取合适的负载电阻RL ❖ 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
(设为正温度系数)，霍尔元件应用时，其输出总要接负 载 ❖ RL(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度 改变时，输出电阻R。的变化必然会引起负载上输出电 势的变化。RL上的电压为
最好采用恒流源(稳定度0.1%)提供控制电流。但灵敏度 系数KH也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误 差。为了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度 系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻R，如图所示。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
第八章霍尔传感器
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
第八章霍尔传感器
在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB
偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH /b
平衡时， fL = fE，即 evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度 )，则电流强度为 I=-nevbd
பைடு நூலகம்所以
式中，d—霍尔片度；n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。
第八章霍尔传感器
❖ 霍尔元件主要技术参数 ❖ 1.输入电阻Ri和输出电阻Ro ❖ Ri Ro，Ri、Ro=100~2000。 ❖ 2.额定控制电流Ic—使霍尔元件在空气中产生10C温升的 ❖ 控制电流Ic=(几~几十)mA。 ❖ 3.不等位电势U0和不等位电阻R0 ❖ 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔 ❖ 电极间的电势为不等位电势U0，主要是由于两电极不在同 ❖ 一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的，一般 ❖ U0 10mV。等效为不等为电阻R0= U0 /Ic。 ❖ 4.灵敏度KH ❖ 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路 ❖ 霍尔电压（mV/mA·T或mV/mA·kGs）。
第八章 霍尔传感器
第八章霍尔传感器 LOGO
霍尔型传感器是磁电转换的一种传感器。1879 年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史， 由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教 科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。 直到100多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半 导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验 霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可 以再现霍尔效应现象，并金属霍尔元件的公式半导 体霍尔元件可得到同样的结论，而且N型半导体尤其 明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上 世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性 能霍尔元件， 例如：普通型、高灵敏度型、低温度 系数型、测温测磁性和开关型等。
第八章霍尔传感器
❖ 基本误差及其补偿 ❖ 温度误差及其补偿 ❖ 温度变化，导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔灵敏度
（KH）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。 为了减温度误差，需采取温度补偿措施。
第八章霍尔传感器
1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻
温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化，在稳压源供 电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，
霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关： KH=1/ned
厚度d越小越好，一般d=0.01mm； 宽度b加大，或长宽比（l/b）减小时，将会使UH下降，
应加以修正
式中，f(l/b)—形状效应系数，如表9-2所示。一般取 l/b=2~2.5，则f(l/b)1，就足够了。
第八章霍尔传感器
霍尔元件示意图 a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图
式中，Ro0—温度为t0时霍尔元件的输出电阻。 要使负载电压UL不随温度变化，即
第八章霍尔传感器
❖ 3.采用恒压源和输入回路串联电阻 ❖ 当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开
路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电 阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式
第八章霍尔传感器
温度误差及其补偿
❖ 温度误差产生原因： ❖ 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
第八章霍尔传感器
第一节 霍尔元件的工作原理及特性
❖ 金属或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，当有电流流过薄片 时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动 势，这种现象称霍尔效应。如图所示。
第八章霍尔传感器
霍尔效应原理图
第八章霍尔传感器
❖ 霍尔效应所产生的电势称霍尔电势，大小与控 制电流I和磁感应强度B的乘积成正比例。半导 体薄片称霍尔片或者霍尔元件。
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 ❖ 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
第八章霍尔传感器
减小霍尔元件的温度误差
❖ 选用温度系数小的元件 ❖ 采用恒温措施 ❖ 采用恒流源供电
第八章霍尔传感器
从式evB= e UH /b知，霍尔电压UH与载流子的运动速度 v有关， 即与载流子的迁移率有关。由于= v/El(El为电流方向上 的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载 流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为
RH= •金属导体：大，但小（n大）； •绝缘体：大（n小），但小； 它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。 •半导体：、适中—适宜作霍尔元件。
第八章霍尔传感器
❖ 5.寄生直流电势UoD ❖ 在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔 ❖ 电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD。它主要是由 ❖ 于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造 ❖ 成的。 ❖ 6.霍尔电势温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C）。 ❖ 7.电阻温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔元件电阻变化的百分（%/C） ❖ 8.灵敏度温度系数 ❖ 为温度变化1C时，霍尔元件灵敏度的变化率。 ❖ 9.线性度
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
第八章霍尔传感器
❖ 2．选取合适的负载电阻RL ❖ 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
(设为正温度系数)，霍尔元件应用时，其输出总要接负 载 ❖ RL(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度 改变时，输出电阻R。的变化必然会引起负载上输出电 势的变化。RL上的电压为
最好采用恒流源(稳定度0.1%)提供控制电流。但灵敏度 系数KH也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误 差。为了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度 系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻R，如图所示。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
第八章霍尔传感器
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
第八章霍尔传感器
在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fL fL=evB
偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fE fE=eEH=eUH /b
平衡时， fL = fE，即 evB= eUH /b
由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度 )，则电流强度为 I=-nevbd
பைடு நூலகம்所以
式中，d—霍尔片度；n—电子浓度； RH=1/ne—霍尔系数； KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。
第八章霍尔传感器
❖ 霍尔元件主要技术参数 ❖ 1.输入电阻Ri和输出电阻Ro ❖ Ri Ro，Ri、Ro=100~2000。 ❖ 2.额定控制电流Ic—使霍尔元件在空气中产生10C温升的 ❖ 控制电流Ic=(几~几十)mA。 ❖ 3.不等位电势U0和不等位电阻R0 ❖ 霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔 ❖ 电极间的电势为不等位电势U0，主要是由于两电极不在同 ❖ 一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的，一般 ❖ U0 10mV。等效为不等为电阻R0= U0 /Ic。 ❖ 4.灵敏度KH ❖ 在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路 ❖ 霍尔电压（mV/mA·T或mV/mA·kGs）。
第八章 霍尔传感器
第八章霍尔传感器 LOGO
霍尔型传感器是磁电转换的一种传感器。1879 年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史， 由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教 科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。 直到100多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半 导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验 霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可 以再现霍尔效应现象，并金属霍尔元件的公式半导 体霍尔元件可得到同样的结论，而且N型半导体尤其 明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上 世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性 能霍尔元件， 例如：普通型、高灵敏度型、低温度 系数型、测温测磁性和开关型等。
第八章霍尔传感器
❖ 基本误差及其补偿 ❖ 温度误差及其补偿 ❖ 温度变化，导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔灵敏度
（KH）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。 为了减温度误差，需采取温度补偿措施。
第八章霍尔传感器
1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻
温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化，在稳压源供 电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，