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1、第六章 磁敏传感器 霍尔传感器Hall Sensor霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 霍尔元件是一 种四端元件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。按照霍尔器
2、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。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。 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 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
3、象称为霍尔效应。 磁感应强度B为零时的情况ABCD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：UH=KH IB霍尔效应演示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 。ABC D一、一、 霍尔效应霍尔效应图图 霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB所以，霍尔电压所以，霍尔电压U UHH可表示为可表示为U UHH = = E EHH b = b = vBbvBb设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时 FL = qvB 当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEH
4、=qvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 E EHH= =vBvB流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 I = I = dQdQ / / dtdt =- =-bdvnqbdvnq得：得： v = -I / v = -I / nqbdnqbd 所以：所以： U UH H = -BI / = -BI / nqdnqd 若取若取 R RH H = -= -1 1 / / nqnq 则则 RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。 n为半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表 示电子运动方向与电流方向相反。设KH即为霍尔元件的灵敏度
5、，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小. 单位是mV/（mAT）材料中电子在电场作用下材料中电子在电场作用下运动速度的大小运动速度的大小常用常用载流子迁移载流子迁移率率来表征，即来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值值。即。即所以所以而而比较得出电阻率比较得出电阻率 与霍尔系数与霍尔系数R RHH和和载流子迁移率载流子迁移率 之之 间的关系：间的关系：或或结论：结论： 如果是如果是P P型半导体，其载流子是空型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为穴，若空穴浓度为p p，同理可得，同理可得 霍尔电压霍尔电压U U
6、HH与材料的性质有关。与材料的性质有关。由上式可知由上式可知 、 大，霍尔系数就大。大，霍尔系数就大。金属金属 虽然很大，但虽然很大，但 很小，不宜做成霍尔很小，不宜做成霍尔 元件；绝缘材料的元件；绝缘材料的 很高，但很高，但 很小，也不很小，也不 能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件 都是都是半导体材料半导体材料制成的。制成的。 霍尔电压霍尔电压U UHH与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。 霍尔电压霍尔电压U UHH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。根据上式，根据上式，d d愈小，愈小，K KHH愈大，霍尔灵敏度愈大，霍尔灵敏度 愈
7、高愈高. .所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄膜霍尔元所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄膜霍尔元 件的厚度只有件的厚度只有1 1 mm左右。但左右。但d d过小，会使元件过小，会使元件 的输入、输出电阻增加。的输入、输出电阻增加。可以推出，霍尔电动势UH的大小为： 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； 霍尔系数RH1/(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。 a2霍尔元件 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为 4 mm2 mm0.1
8、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。 (a) 霍尔元件外形 (b)电路符号 (c) 基本应用电路二、霍尔元件材料电阻率、载流子迁移率、霍尔系数电阻率、载流子迁移率、霍尔系数1 1锗锗( (GeGe) )，N N型及型及P P型均可。型均可。2 2硅硅(Si)(Si)N N型及型及P P型均可。型均可。3 3砷化铟砷化铟( (
9、InAsInAs) )和锑化铟和锑化铟( (InSbInSb) )，这两这两 种材料的特性很相似种材料的特性很相似。霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路基于霍尔效应工作的半导体器件称为基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用霍尔元件，霍尔元件多采用N N型半导体材型半导体材料。霍尔元件越薄料。霍尔元件越薄( (d d 越小越小) )，k kH H 就越大就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。组成，如图所示。一、构一、构 造造霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片( (一般为一般为4mm2mm0.1mm
10、)4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上，它的长度方向两端面上焊有焊有a a、b b两根引线，通常用两根引线，通常用红色导线红色导线，其焊其焊接处称为接处称为控制电极控制电极；在它的另两侧端面的中；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有间以点的形式对称地焊有c c、d d两根霍尔输出两根霍尔输出引线，通常用引线，通常用绿色导线绿色导线，其焊接处称为，其焊接处称为霍尔霍尔电极。电极。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。电阻率
11、电子迁移率 材料(单晶)禁带宽度 Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍尔系数 RH/(cmC-1) N型锗锗(Ge)0.661.0350042504000 N型硅(Si)1.1071.5150022501840 锑锑化铟铟(InSb)0.170.005600003504200 砷化铟铟(InAs)0.360.0035250001001530 磷砷铟铟(InAsP)0.630.08105008503000哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高6.2.3 6.2.3 霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数1.额定激励电流IH使霍尔元件温升10C所施加的控制电流值。当霍尔元件做好后，限制额定电流的主要因
12、素是散热条件。2.输入电阻Ri和输出电阻RORi 是指控制电流极之间的电阻值。R0 指霍尔电极间的电阻值。Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。3.不等位电势U0及零位电阻r0在额定控制电流在额定控制电流I I下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。当霍尔元件的激励电流为I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位电势。产生的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 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（如片厚薄不均匀等）; 激励电极接触不良造成激励电流
13、不均匀分布等。这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同 一等位面上而产生不等位电势。 u 不等位电阻不等位电势也可用不等位电阻表示:式中式中: U: U0 0不等位电势不等位电势; ; r r0 0不等位电阻不等位电阻; ; I IH H激励电流。激励电流。 由上式可以看出由上式可以看出, , 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r r0 0所产生的电压。所产生的电压。 4、寄生直流电势当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时， 霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。 其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而 直流霍尔电势是个寄生量，称为寄
14、生直流电势V。5、热阻RQ它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输 入lmW的电功率时产生的温升，单位为0CmW。所 以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件 下与电阻有关.6.6.灵敏度灵敏度 减小减小d d; ;选好的半导体材料选好的半导体材料霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数霍尔片基本测量电路图如下所示。 （1）霍尔器件为四端口元件，其中1-3为（ 控制 ）电极；2-4为（ 霍尔 ）电极； （2）霍尔元件的输入电阻是指（ 控制）电极间的电阻值，输出电阻 是指（ 霍尔 ）电极间的电阻值。 （3）霍尔片的不等位电势U0由不等位电阻r0引起，发生在（ 霍尔 ）电极上.二、测量电路
15、霍尔元件的基本测量电路如图5- 22所示。 激励电流由电源E供给，可 变电阻RP用来调节激励电流I的大小。 RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通 常它是显示仪表、记录装置或放大器 的输入阻抗。图5-22 霍尔元件的基本测量电路（a）基本测量电路WUHRLEW1W2UHUH（b b）直流供电输出方式）直流供电输出方式 （c c）交流供电输出方式）交流供电输出方式霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个 霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获 得较大的UH。霍尔元件的连接电路练习题 1、制作霍尔元件应采用的材料是 ，因 为半导体材料能使截流子的 的乘积最大 ，而使两个端面出现 差最大。 2、霍尔片不等位电势是如何产生的原因是重要起 因是 焊接在同一等位面上。 3、霍尔电动势与哪些因素有关?如何提高霍尔传 感器的灵敏度? 3答：练习题 1、制作霍尔元件应采用的材料是 半导体材料 ，因为 半
