磁电式传感器-霍尔传感器

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1、第六章磁敏传感器霍尔传感器HallSensor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。按照霍尔器件的功能

2、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1MHz)，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，这种现象称为霍尔效应

3、。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=KHIB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。ABCD一、霍尔效应图霍尔效应UHbldIFLFEvB所以，霍尔电压UH可表示为UH=EHb=vBb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=qvB故霍尔电场的强度为EH=vB流过霍尔元件的电流为I=dQ/dt=-bdvnq得：v=-I/nqbd所以：UH

4、=-BI/nqd若取RH=-1/nq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，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/（mA·T）材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即所以而比较得出电阻率与霍尔系数RH和载流子迁移率之间的关系：或结论：①如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得②霍尔电

5、压UH与材料的性质有关。由上式可知、大，霍尔系数就大。金属虽然很大，但很小，不宜做成霍尔元件；绝缘材料的很高，但很小，也不能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件都是半导体材料制成的。④霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。③霍尔电压UH与元件的尺寸有关。根据上式，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，薄膜霍尔元件的厚度只有1m左右。但d过小，会使元件的输入、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

6、；霍尔系数RH＝1/(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4mm×2mm×0.1mm)，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1．

7、锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。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霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。一、构造霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点