磁电式传感器-霍尔传感器1

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1、霍尔传感器HallSensor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。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。按照霍尔器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。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触

2、点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达级)。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。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

3、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。a结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。金属

4、材料中的自由电子浓度n很高，因此RH很小，不宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有1左右。mm2．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

5、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3．霍尔元件的主要特性及材料1)霍尔元件的主要特性参数(1)灵敏度kH：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路（RL=∞）霍尔电动势，单位为V/(A·T)。(2)霍尔输入电阻Ri：霍尔控制电流电极间的电阻值。(3)霍尔输出电阻Ro：霍尔输出电极间的电阻值。(4)霍尔电阻的温度系数α：表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化1℃时霍尔元件材料的电阻变化率，单位为%/℃。1)霍尔元件

6、的主要特性参数(6)额定控制电流Icm：空气中的霍尔元件产生允许温升ΔT=10℃时的控制电流，一般为几毫安到几百毫安。(7)不等位电势U0：外加磁场为0，霍尔元件在额定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电动势。U0越小越好，一般地，U0小于1mV。（8）不等位电阻r0:r0=U0/Icm。(5)霍尔电动势的温度系数β：表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化1℃时霍尔电势的相对变化率单位为%/℃。3．霍尔元件的主要特性及材料1)霍尔元件的主要特性参数(9)霍尔最大允许激励电流Imax：以霍尔元件允许最

7、大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。(10)霍尔寄生直流电势UOD：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。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。电阻率电子迁移率材料(单晶)禁带宽度Eg/(eV)/(Ω·cm)/(cm²/V·s)霍尔系数RH/(cm³·C-1)N型锗(Ge)0.661

8、.0350042504000N型硅(Si)1.1071.5150022501840锑化铟(InSb)0.170.005600003504200砷化铟(InAs)0.360.0035250001001530磷砷铟(InAsP)0.630.08105008503000哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地