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1、第8章 霍尔式传感器,主要内容8.1 霍尔效应（重点）8.2 霍尔系数和灵敏度（重点） 8.3 材料及结构特点8.4 基本电路形式（重点）8.5 电磁特性（重点）8.6 误差分析及其补偿方法（重点、难点）8.7 应用（重点）,8.1 霍尔效应（Hall-effect）,在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累。,而另一侧形成正电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在两端横面之间建立
2、的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。,图8-1 霍尔效应原理图,8.1 霍尔效应（Hall-effect）,fL=-evB,P型半导体材料霍尔电势：,N型半导体材料霍尔电势：,8.2 霍尔系数和灵敏度,1、霍尔系数RH (1)定义： (2)含义： 大小反映出霍尔效应的强弱 (3)作用：材料选择 由电阻率公式 ，得结论： 1)一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此制作霍尔元件时多采用N型半导体材料； 2)由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件。,8.2 霍尔系数和灵敏度,2、灵敏度 (1)定义： (2)含义：表示霍尔元件在单位磁感应强度和单
3、位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位是 (3)作用：元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。,8.3 材料及结构特点,1、霍尔片材料(1)N型锗(Ge):锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好；(2)锑化铟(InSb):锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大；(3)砷化铟(InAs):砷化铟元件输出电势小，受温度影响小，线性度较好。2、霍尔元件结构 由霍尔片、引线和壳体组成的一块矩形半导体薄片。 在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线，在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔电势
4、输出端引线，焊点要求接触电阻小。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。,8.3 材料及结构特点,图8-3 霍尔元件示意图,图8-4 霍尔元件的符号,图8-5 霍尔元件型号命名法,8.3 材料及结构特点 8.4 基本电路形式,表8-1 霍尔元件型号及参数,图8-6 霍尔元件的基本电路,控制电流由电源E供给，R为调整电阻，以保证元件中得到所需要的控制电流。 霍尔输出端接负载RL，RL可以是一般电阻，也可以是放大器输入电阻或表头内阻等。,8.5 电磁特性,1、UH-I 特性 当磁场恒定时，在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势UH，可以得到良好的线性关系。,结论：1）灵敏度KH大的元件，其控制电
5、流灵敏度一般也很大。2）灵敏度大的元件，其霍尔电势输出并不一定大，这是因为霍尔电势的值与控制电流成正比的缘故。3）由于建立霍尔电势所需的时间很短(约10-12s)，因此控制电流采用交流时频率可以很高(例如几千兆赫兹)，而且元件的噪声系数较小，如锑化铟的噪声系数约7.66dB。,图8-7 霍尔元件的UH-I 特性曲线,8.5 电磁特性,2、UH-B 特性 当控制电流保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离。,图8-8 霍尔元件的UH-B 特性曲线,8.6 误差分析及其补偿方法,1、元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在霍尔电势的表达式中，是将霍尔片的长度L
6、看做无限大来考虑的。实际上，霍尔片具有一定的长宽比L/b，存在着霍尔电场被控制电流极短路的影响，因此应在霍尔电势的表达式中增加一项与元件几何尺寸有关的系数。霍尔电势表达式可写成如下形式。,结论：1）当L/b2时，形状系数fH(L/b)接近1。2）为了提高元件的灵敏度，可适当增大L/b值，但是实际设计时取L/b=2已经足够了。因为L/b过大反而使输入功耗增加，以致降低元件的效率。,图8-9 霍尔元件的形状系数曲线,8.6 误差分析及其补偿方法,霍尔电极的大小对霍尔电势的输出也存在一定影响。按理想元件的要求，控制电流的电极应与霍尔元件是良好的面接触，而霍尔电极与霍尔元件为点接触。实际上霍尔电极有一
7、定的宽度l，它对元件的灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明,当l/L0.1时，电极宽度的影响可忽略不计。,图8-10 霍尔电极的大小对UH的影响,8.6 误差分析及其补偿方法,2、不等位电势U0及其补偿 由于制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，因此当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电势极上仍有电势存在，该电势称为不等位电势U0 。,图8-11 不等位电势示意图,图8-12 霍尔元件的等效电路,8.6 误差分析及其补偿方法,补偿方法：1）内部方法机械修磨或化学腐蚀； 2）外部方法采用补偿网络进行补偿。,图8-13 不等位电势的几种补偿线路,8.6 误差分析及其
8、补偿方法,3、寄生直流电动势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电流极和霍尔电极上都可能出现整流效应。因此，当元件在不加磁场的情况下通入交流控制电流时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，这个直流分量被称为寄生直流电势。其大小与工作电流有关，随着工作电流的减小，直流电势将迅速减小。 产生寄生直流电势的原因，除上面所说的因控制电流极和霍尔电势极的欧姆接触不良造成整流效应外，霍尔电势极的焊点大小不同，导致两焊点的热容量不同而产生温差效应，也是形成直流附加电势的一个原因。 寄生直流电势很容易导致输出产生漂移，为了减小其影响，在元件的制作和安装时应尽量改善电极的欧姆接触性能和
9、元件的散热条件。,8.6 误差分析及其补偿方法,4、感应电势 霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔电势的引线布局不合理，在输出回路中也会产生附加感应电势，其大小不仅正比于磁场的变化频率和磁感应强度的幅值，并且与霍尔电势极引线所构成的感应面积成正比。 为了减小感应电势，1）合理布线；2）在磁路气隙中安置另一辅助霍尔元件。,图8-14 感应电势及其补偿 (a)感应电势示意图 (b)自身补偿法,8.6 误差分析及其补偿方法,5、温度误差及其补偿 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度变化十分敏感。这是由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。因此，霍尔元件的性能参
10、数，如内阻、霍尔电势等都将随温度变化。 减少霍尔元件的温度误差的措施： 1）选用温度系数小的元件； 2）采用恒温措施； 3）采用恒流源供电，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。 4）补偿线路。,8.6 误差分析及其补偿方法,I=IH0+I0 IH0R0=I0r0,图8-15 温度补偿线路,结论：当元件的、及内阻R0确定后，补偿电阻r0便可求出。,8.6 误差分析及其补偿方法,采用热敏电阻进行温度补偿，图8-16所示为锑化铟霍尔元件采用热敏电阻RT补偿的原理图。,图8-16 热敏电阻进行温度补偿的原理图,8.7 应用,1、应用类型(1)保持元件的控制电流恒定，则元件的输出正比于
11、磁感应强度，根据这种关系可用于测定恒定和交变磁场强度，如高斯计等;(2)当保持元件感受的磁感应强度不变时，则元件的输出与控制电流成正比，这方面的应用有测量交、直流的电流表、电压表等；(3)当元件的控制电流和磁感应强度均变化时，元件输出与两者乘积成正比，这方面的应用有乘法器、功率计等。(4)在非电量测量技术领域中利用霍尔元件可制成位移、压力、流量等传感器。,Allegro A1104 霍尔传感器,8.7 应用,2、应用举例(1)霍尔式位移传感器 当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为 结论：霍尔电势与位移量x成线性关系，并且霍尔电势的极性反映了元件位移的方向。,图8-17 霍尔式位移传感器的磁路结构图,8.7 应用,(2)霍尔式压力传感器 作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端安装霍尔元件。 当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定磁场中的霍尔元件产生相应位移，霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小。,图8-18 霍尔式压力传感器的结构示意图,8.7 应用,(3)霍尔集成电路 优点：1）灵敏度高，霍尔输出大，在一般磁场作用下可得到几伏霍尔电势;2）对器件表面进行钝化处理后，其可靠性及温度稳定性大大提高；3）尺寸较小，开发应用更加灵活方便。,图8-19 霍尔集成电路原理框图 (a)线性型 (b)开关型,本章作业,P199 8-1; 8-2; 8-4。,
