传感器与检测技术 第七章 霍尔传感器
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2. 额定控制电流和最大允许控制电流
当霍尔元件自身温升10℃时所流过的控制电流 称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流称为最大允许控制电流。
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传感器与检测技术
3. 不等位电势和不等位电阻
当霍尔元件的控制电流为IN时，若元件所处 位置磁感应强度为零，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
金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻 率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作
霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。
目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等， 这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。 其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线 性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度 性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温 范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化 铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度 好。
第一节 霍尔效应
1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产 生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
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传感器与检测技术
半导体中的电子受洛伦兹力FL的作用：
FL qvB
霍尔电场强度
EH
UH b
电子又受到霍尔电场的作用力
FH qEH
.
传感器与检测技术
令
KH
RH d
称之为霍尔元件灵敏度
则 UHKHIB
KH表示为一个霍尔元件在单位B和电位I时输 出霍尔电压的大小。与霍尔常数RH成正比， 而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度， 霍尔元件常制成薄片形状。
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第二节 霍尔元件的基本特性
一、霍尔元件
.
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二、霍尔元件的基本特性
位电势。
产生这一现象的原因有： （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。 （3）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。
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传感器与检测技术
不等位电势是由霍尔电势c和d之间的电阻
ro决定的，称为不等位电阻
r0
U0 IH
.
传感器与检测技术
.
传感器与检测技术
5. 寄生感应电势 当控制电流I为交变电流时，此电流形成 的交变磁场在电极引线上要产生寄生感 应电势。为了减小寄生感应电势，要求 各电极引线尽可能短，且布线合理以减 少磁交链。
6. 霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每 变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称霍尔 电势温度系数。
4. 寄生直流电势
其产生的原因有：
（1）控制电极和霍尔电极与基片的连接属 于金属与半导体的连接，这种连接是非 完全欧姆接触时。会产生整流效应；
（2）控制电流和霍尔电势都是交流时，经 整流效应，它们各自都在霍尔电极之间 建立直流电势。
（3）两个霍尔电极焊点的不一致，造成两 焊点热容量、散热状态的不一致，因而 引起两电极温度不同产生温差电势，也 是寄生直流电势的一部分。
传感与检测技术
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第七章 霍尔传感器
第一节 霍尔效应 第二节 霍尔元件的基本特性 第三节 霍尔元件的误差及其补偿 第四节 测量电路 第五节 集成霍尔传感器 第六节 霍尔传感器的应用
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三、误差及其补偿
1、零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出 现的霍尔电压ΔUH，称之为零位误差。
（1）直流寄生电势
霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大 小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小 不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的 对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同， 可以减小这种直流寄生电势。
当达到动态平衡时
FL FH
vB E传感器H与检测技术
.
EH vB 电流密度
EH
j I
bd
vxEH 电阻率
X为电荷的迁移率（m2/vs）
霍尔电压为：
U H bH E b v b B x b Id B x
IB d
令
RH
x 则
传感器与检测技术
UH.
RH
IB d
霍尔常数RH等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，
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（2）寄生感应电势
当控制电流I为交变电流时，此电流形成的
交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。 为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽
可能短，且布线合理以减少磁交键。
（3）不等位电势
不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级， 有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消 除不等位电势极其困难的，因而只有采用 补ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的方法。由于不等位电势由不等位电 阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到 一个不等位电势的补偿方法。
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霍尔元件不等位电势原理图
（a）不对称电极
（b）电极等效电桥
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不等位电势补偿电路
（a）是电阻值较大的桥臂上并联电阻 （b）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加
电极等效电桥的对称性。
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2、温度误差及其补偿
选择温度系数小的 霍尔元件 ；
采取恒温措施；
采用恒流源供电 。
1. UH—B 特性 当控制电流不变时，霍尔电压 与磁场具有单值关系，在磁不 饱和时，UH与B具有线性关系 。如使传感器处于非均匀磁场 中，传感器的输出正比于磁感 应强度，因此，对凡是能转换 为磁感应强度变化的量都能进 行测量，如位移、角度、转速 和加速度等。
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二、霍尔元件的基本特性
2. UH —I 特性 特性磁场不变，传感器输
出值正比于控制电流值，因此 ，凡能转换为电流变化的量， 均能进行测量。
3. UH——IB 特性
传感器输出值正比于磁感应强度和 控制电流之积，因此，它可以用于乘法 、功率等方面的计算与测量。
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霍尔元件主要特性参数：
1. 输入电阻和输出电阻 霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道 控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出 霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电 源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强 度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。
当霍尔元件自身温升10℃时所流过的控制电流 称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流称为最大允许控制电流。
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3. 不等位电势和不等位电阻
当霍尔元件的控制电流为IN时，若元件所处 位置磁感应强度为零，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
金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻 率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作
霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。
目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等， 这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。 其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线 性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度 性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温 范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化 铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度 好。
第一节 霍尔效应
1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产 生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
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传感器与检测技术
半导体中的电子受洛伦兹力FL的作用：
FL qvB
霍尔电场强度
EH
UH b
电子又受到霍尔电场的作用力
FH qEH
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传感器与检测技术
令
KH
RH d
称之为霍尔元件灵敏度
则 UHKHIB
KH表示为一个霍尔元件在单位B和电位I时输 出霍尔电压的大小。与霍尔常数RH成正比， 而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度， 霍尔元件常制成薄片形状。
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传感器与检测技术
第二节 霍尔元件的基本特性
一、霍尔元件
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传感器与检测技术
二、霍尔元件的基本特性
位电势。
产生这一现象的原因有： （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。 （3）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。
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传感器与检测技术
不等位电势是由霍尔电势c和d之间的电阻
ro决定的，称为不等位电阻
r0
U0 IH
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传感器与检测技术
5. 寄生感应电势 当控制电流I为交变电流时，此电流形成 的交变磁场在电极引线上要产生寄生感 应电势。为了减小寄生感应电势，要求 各电极引线尽可能短，且布线合理以减 少磁交链。
6. 霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每 变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称霍尔 电势温度系数。
4. 寄生直流电势
其产生的原因有：
（1）控制电极和霍尔电极与基片的连接属 于金属与半导体的连接，这种连接是非 完全欧姆接触时。会产生整流效应；
（2）控制电流和霍尔电势都是交流时，经 整流效应，它们各自都在霍尔电极之间 建立直流电势。
（3）两个霍尔电极焊点的不一致，造成两 焊点热容量、散热状态的不一致，因而 引起两电极温度不同产生温差电势，也 是寄生直流电势的一部分。
传感与检测技术
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Copyright © 2004 WUT. All Rights Reserved.
第七章 霍尔传感器
第一节 霍尔效应 第二节 霍尔元件的基本特性 第三节 霍尔元件的误差及其补偿 第四节 测量电路 第五节 集成霍尔传感器 第六节 霍尔传感器的应用
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传感器与检测技术
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三、误差及其补偿
1、零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出 现的霍尔电压ΔUH，称之为零位误差。
（1）直流寄生电势
霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大 小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小 不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的 对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同， 可以减小这种直流寄生电势。
当达到动态平衡时
FL FH
vB E传感器H与检测技术
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EH vB 电流密度
EH
j I
bd
vxEH 电阻率
X为电荷的迁移率（m2/vs）
霍尔电压为：
U H bH E b v b B x b Id B x
IB d
令
RH
x 则
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UH.
RH
IB d
霍尔常数RH等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，
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（2）寄生感应电势
当控制电流I为交变电流时，此电流形成的
交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。 为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽
可能短，且布线合理以减少磁交键。
（3）不等位电势
不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级， 有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消 除不等位电势极其困难的，因而只有采用 补ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的方法。由于不等位电势由不等位电 阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到 一个不等位电势的补偿方法。
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传感器与检测技术
霍尔元件不等位电势原理图
（a）不对称电极
（b）电极等效电桥
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不等位电势补偿电路
（a）是电阻值较大的桥臂上并联电阻 （b）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加
电极等效电桥的对称性。
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传感器与检测技术
2、温度误差及其补偿
选择温度系数小的 霍尔元件 ；
采取恒温措施；
采用恒流源供电 。
1. UH—B 特性 当控制电流不变时，霍尔电压 与磁场具有单值关系，在磁不 饱和时，UH与B具有线性关系 。如使传感器处于非均匀磁场 中，传感器的输出正比于磁感 应强度，因此，对凡是能转换 为磁感应强度变化的量都能进 行测量，如位移、角度、转速 和加速度等。
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二、霍尔元件的基本特性
2. UH —I 特性 特性磁场不变，传感器输
出值正比于控制电流值，因此 ，凡能转换为电流变化的量， 均能进行测量。
3. UH——IB 特性
传感器输出值正比于磁感应强度和 控制电流之积，因此，它可以用于乘法 、功率等方面的计算与测量。
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霍尔元件主要特性参数：
1. 输入电阻和输出电阻 霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道 控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出 霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电 源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强 度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。