第十一章 磁敏元件及其传感器,,§11－1 霍尔元件及其传感器,一，霍尔效应,电子积累,正电荷积累,fL,fE,在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的产生的电势差称为霍尔电压利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器半导体薄片──,洛伦兹力：,电场力：,霍尔电场,霍尔电势,-----另一相对面产生静电场， 电势,,,在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场Ｅｈ，称为霍尔电场该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累动态平衡：,电流 ：,②式代入①式， 可得：,设霍尔系数：,设霍尔灵敏度：,（它反映材料霍尔效应的强弱）,霍尔灵敏度 KH 表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流下的霍尔电势的大小它与霍尔系数 RH 成正比，与霍尔元件的厚度d成反比霍尔系数,可作为材料选择的依据：定义单位电场强度作用下，载流子的平均运动速度为载流子迁移率μ电子迁移率和霍尔系数的关系如下：,↓,电阻率,由霍尔系数定义有：,,迁移率,,,霍尔电压UH与材料的性质有关。
根据上式，材料的ρ、μ大，RH就大金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μNμP，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料讨论,即：,常用材料有硅，锗，锑化铟，砷化镓,2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关 d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加 元件的长度比l/b对UH也有影响为了减少短路影响，l/b要大一些，一般l/b=2但如果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出 3)霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关 当控制电流恒定时愈大愈大当磁场改变方向时，也改变方向同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输出二， 霍尔元件的结构和基本电路,结构：图11-2,1-1控制电极UI：加控制电流,2-2霍尔电极UH ：输出霍尔电压,霍尔电极的位置应在基片长度的1/2处；,霍尔电极的宽度应远小于基片长度符号： 图11-3 a),基本电路：图11-3 b),,,三、主要特性,1、最大电流,损耗功率：,发散功率：,,,霍尔元件表面散热系数,霍尔元件表面温升,最大激励电流：,最大开路霍尔电势：,,代入,最大磁感应强度灵敏度：,,2、最大输出功率及效率,最大功率：,最大效率：,3、输出电动势与霍尔元件尺寸的关系,与厚度的关系,与长度的关系,与电极位置的关系,四、基本误差及补偿,1、采用恒流源激励,补偿电阻,2、选择合适的负载电阻,3、采用温度补偿元件,五、温度特性,霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系,,霍尔内阻与温度的关系曲线 霍尔电压与温度的关系曲线,六、温度补偿,霍尔元件温度补偿的方法很多，下面介绍两种常用的方法: 1）利用输入回路的串联电阻进行补偿。
上图是输入补偿的基本线路，图中的四端元件是霍尔元件的符号两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路根据温度特性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：,式中，RHt为温度为ｔ时霍尔系数，Rit为温度为ｔ时的输入电阻α为霍尔电压的温度系数, β为输入电阻的温度系数当温度变化Δt 时，其增量为:,可得出霍尔电压随温度变化的关系式为:,对上式求温度的导数，可得增量表达式:,上式中的第一项表示因温度升高霍尔系数引起霍尔电压的增量；第二项表示输入电阻因温度升高引起霍尔电压减小的量要使温度变化时霍尔电压不变，必须使 : 即,七， 霍尔式传感器,利用霍尔输出正比于控制电流I的磁感应强度B的乘积关系，可以分别使其中一个量保持不变，而另一个量作变量，或两者都作为变量（霍尔乘法器），从而构造出各种传感器集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成1 开关型集成霍尔传感器,线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。
其输出信号与磁感应强度成比例通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成2 线性集成霍尔传感器,霍尔电流、电压传感器,霍尔电压传感器是利用磁补偿原理的一种霍尔传感器，能够测量直流，交流以及各种波形电压，同时在电气上是高度绝缘的 霍尔电流传感器是应用霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，输出为电流信号采用印制板安装，具有低温漂，宽频带，抗干扰能力强等特点。