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1、 第7章磁传感爵55_一、霍尔传感器的工作原理及特性(一)霍尔效应金属或半导体薄片置于碟感应强度为8的磁场(碟场方向垂直于薄片)中,当有电流I流过时,在垂直于电流和磷场的方向上将产生电动势Uy。这种物理现象称为霍尔效应。当通以电流7时,半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力洛仑兹力F的作用,其大小为下=euB在石的作用下,电子发生偏移,在半导体的后端积联负电荷,前端则为正电荷,形成电场。静电场对电子的作用力为F:与洛仑兹力方向相反,将阻一电子继续偏转,其大小为芸-连-5t下2当F十Fe一0时,电子的积累达到动平衡,即evB_=eDUz“所以B=IUz102设流过霍尔元件的电流为7时,了=一1euD4
2、式中d为与电流方向垂直的截面积,n为单位体积内自由电子数(载流子泥度)。因为T=一zeuB4d“所以=-T/(zeDQ)历历二-一=Ry一=名1B一72CQ一4一1式中尺;二一一R则被定义为霍尔传感善的霍尔系数R为霍尔元件的灵敏度。万肖二一仁“Q如果磴场和薄片法线有角,那么【u=fu1Bcos由上述讨论可知,霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关,还与霍尔元件的几何尺寸有关。一舫要求霍尔元件灵敏度越大越好,霍尔元件灵敏度的公式可知,霍尔元件的厚度4与Ku成反比。基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件25目前最常用的霍尔元件村料有错(e)、(Si)、锐化铣(Insb)、砷化铟(Inhs)
3、等半导体材料。在薄片的长度方向两端面上焊有两根引线(图中a,b线),称为控制电流端引线,通常用红色导线;在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线(图中c,d线),通常用绿色导线。(二)霍尔元件的电磁特性QU8-特性在碟场和环境温度一定时,霍尔输出电势U与控制电流I之间呈线性关系,如图所示,直线的斜率称为控制电流灵敏度,用表示户=(LTy/)p圭宏代入可以得到一=B因此,霍尔元件的灵敏度系数“g越大,其fu也越大。20G)Ux-8特性当控制电流一定时,霍尔元件的开路输出随磁感应强度的增加并不是完全成线性关系,只有当B小于0.57时,Uaz-B厂()(8的线性度才比较好。,/
4、几妥稷1.04仁4Gef100)1.005万-1.2.30.94Ge(100.20.40.60.8丿BR-B特性R-B特性是指霍尔元件的输入(或R2L%输出)电阻与磁场之间的关系,霍1尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增大,这种现象称磴阻效应。0对苡种速度运动的电子,若霍尔,o)五)电场作用力恰好抵消洛伦兹力,电子沿直线运动;小于此速度的电子将沿霍尔电场作用方向偏转;而大于此速度的电子将沿洛伦兹力方向偏转。这种偏转将沿控制电流电场方向的电流密度减小,也就是由于磁场的存在增加了元件的内阻。这就是碟阻效应的物理本质。仁1230(二)霍尔元件的误差和补偿1.不等电势U,及补偿姓位误差是霍尔元件在不加磁场或不加控制电流时产生的霍尔电压,而不等位电势U,是主要的零位误差。不等位电势是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出电极接触不良等原因造成的。如下图(所示。4输入电阻R,是指两控制电极f刀5气日之间的电阵值输出电阻R,指霍尔元件输出。电极(c、山间的电阻。CaJ不等位电除工艺上尽量使霍尔电极对称来降低0o,还需采用补偿3东电路加以补偿。下图给出几种常用的补偿方法。通常在|88“菪一桥警上并上一定电阻而将0降到最小,甚至为委。c不等位电势补偿电路原理图
