霍尔式传感器(1)

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1、第二节霍尔式传感器　　霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围（输出电动势的变化）大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。一、工作原理与特性（一）霍尔效应　　金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。　　假设薄片为N型半导体，磁感应强

2、度为B的磁场方向垂直于薄片，如图5-6所示，在薄片左右两端通以电流I(称为控制电流)，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I的相反方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到　图5-6霍尔效应原理图　　磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE与FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场的方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势UH。　　若电子都以均一的速度v按图示方向运动，那么在B的作用下所受的

3、力FL＝evB，其中e为电子电荷量，e＝1.602×10-19C。同时，电场EH作用于电子的力FH＝-eEH，式中的负号表示力的方向与电场方向相反。设薄片长、宽、厚分别为l、b、d，则FH＝-eUH/b。当电子积累达到动态平衡时FL＋FH＝0，即vB＝UH/b。而电流密度j=-nev，n为N型半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电子运动速度的方向与电流方向相反。所以I=jbd=-nevbd，即v=-I/(nebd)。将v代入上述力平衡式，则得(5-2)　式中RH��霍尔系数，RH＝-1/ne（m3·C-1），由载流材料物理性质所决定；kH��灵敏

4、度系数，kH＝RH/d（V·A-1·T-1），它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。　如果磁场和薄片法线有α角，那么（5-3）　　具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就是由霍尔元件所组成。金属材料中自由电子浓度n很高，因此RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件。如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得UH＝IB/ped。因RH＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率，μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。霍尔元件越薄（即d

5、越小），kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。（二）霍尔元件　　霍尔元件的外形如图5-7a所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图5-7b所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4×2×0.1mm3），在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极（或称激励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于0.1，否则影响输

6、出。霍尔元件的壳体是用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。　　目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In（AsyP1-y）型固熔体（其中y表示百分比）等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。In（AsyP1-y）型固熔体的热稳定性最好。

7、图5-7c为霍尔元件符号，图d是它的基本电路。二、霍尔元件的误差及其补偿　　由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。（一）霍尔元件的零位误差及其补偿　　霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。1.不等位电动势U0及其补偿　　不等位电动势是零位误差中最主要的一种。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