磁电式传感器霍尔传感器

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哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高
4 霍尔元件的误差及补偿
1．霍尔元件的零位误差与补偿
霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下， 霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以 下几种具体形式。 1) 不等位电动势
不等位电动势是零位误差中最主要的一种， 它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气 中温升10℃所对应的电流)作用下，不加外磁 场时，霍尔输出端之间的空载电动势。
(4) 霍尔电阻的温度系数α：表示在一定的磁感应强度和控 制电流的条件下，环境温度每变化1℃时霍尔元件材料的电 阻变化率，单位为%/℃。
1) 霍尔元件的主要特性参数 (5) 霍尔电动势的温度系数β：表示在一定的磁感应强度和控制 电流的条件下，环境温度每变化1℃时霍尔电势的相对变化率单 位为%/℃。
(a) 霍尔元件外形 (b)电路符号 (c) 基本应用电路
3．霍尔元件的主要特性及材料 1) 霍尔元件的主要特性参数
(1) 灵敏度kH：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所
得到的开路（RL=∞）霍尔电动势，单位为V/(A·T)。
(2) 霍尔输入电阻Ri：霍尔控制电流电极间的电阻值。 (3) 霍尔输出电阻Ro：霍尔输出电极间的电阻值。
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
D
A
磁感应强度B为零时的情况
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：
不等位电动势产生的原因是由于制造工艺 不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍 尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于 同一等位面上。
此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均 匀，或控制电流极接触不良都将使等位面 歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电动势。
2) 寄生直流电势
在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位 电压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的 原因有两个方面：(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种 整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的 直流分量。(2)输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对 于锗霍尔元件，当交流控制电流为20 mA时，输出电极的寄生 直流电压小于10V0 。
UH=KH IB
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。
可以推出，霍尔电动势UH的大小为：
UH kHIBcos
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；
（8）不等位电阻r0: r0=U0/Icm。
3．霍尔元件的主要特性及材料 1) 霍尔元件的主要特性参数
(9) 霍尔最大允许激励电流Imax：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。
(10) 霍尔寄生直流电势UOD：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动势 外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。
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。
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。
禁带宽度 Eg/(eV)
0.66 1.107 0.17 0.36 0.63
电阻率 /(Ω·cm)
1.0 1.5 0.005 0.0035 0.08
电子迁移率
/பைடு நூலகம்cm²/V·s)
3500 1500 60000 25000 10500
霍尔系数 RH/(cm³·C-1)
4250 2250 350 100 850
(6) 额 定 控 制 电 流 Icm ： 空 气 中 的 霍 尔 元 件 产 生 允 许 温 升
ΔT=10℃时的控制电流，一般为几毫安到几百毫安。
Icm w 2sd T /
(7) 不等位电势U0：外加磁场为0，霍尔元件在额定控制电流下， 两霍尔电极之间的开路电动势。U0越小越好，一般地，U0小于 1mV。
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。
材料(单晶)
N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb) 砷化铟(InAs) 磷砷铟(InAsP)
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。
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。
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(可达
m级)。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-55～+150℃。
霍尔传感器的工作原理
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。
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比， 且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如
果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的 交变电势。
金属材料中的自由电子浓度n很高，因此RH很小，不 宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型 半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄(d越小)，kH就 越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚 度只有1 左m右。