《霍尔式传感器》PPT课件

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1、第8章霍尔式传感器主要内容8.1霍尔效应（重点）8.2霍尔系数和灵敏度（重点）8.3材料及结构特点8.4基本电路形式（重点）8.5电磁特性（重点）8.6误差分析及其补偿方法（重点、难点）8.7应用（重点）8.1霍尔效应（Hall-effect）在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累。而另一侧形成正电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力fE与洛仑兹力fL相等时，电子的积累达

2、到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH。图8-1霍尔效应原理图8.1霍尔效应（Hall-effect）fL=-evBP型半导体材料霍尔电势：N型半导体材料霍尔电势：8.2霍尔系数和灵敏度1、霍尔系数RH(1)定义：(2)含义：大小反映出霍尔效应的强弱(3)作用：材料选择由电阻率公式，得结论：1)一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此制作霍尔元件时多采用N型半导体材料；2)由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件。8.2霍尔系数和灵敏度2、灵敏度(1)

3、定义：(2)含义：表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位是(3)作用：元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。8.3材料及结构特点1、霍尔片材料(1)N型锗(Ge):锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好；(2)锑化铟(InSb):锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大；(3)砷化铟(InAs):砷化铟元件输出电势小，受温度影响小，线性度较好。2、霍尔元件结构由霍尔片、引线和壳体组成

4、的一块矩形半导体薄片。在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线，在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出端引线，焊点要求接触电阻小。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。8.3材料及结构特点图8-3霍尔元件示意图图8-4霍尔元件的符号图8-5霍尔元件型号命名法8.3材料及结构特点8.4基本电路形式参数型号额定控制电流I(mA)灵敏度(mV/mA·T)使用温度（℃）霍尔电势温度系数（1/℃）尺寸(m3)HZ-1HZ-2HZ-3HZ-418152250≥1.2≥1.2≥1.2≥0.4-20～45-20～45-20～45-30～75

5、0.04%0.04%0.04%0.04%8×4×0.28×4×0.28×4×0.28×4×0.2表8-1霍尔元件型号及参数图8-6霍尔元件的基本电路控制电流由电源E供给，R为调整电阻，以保证元件中得到所需要的控制电流。霍尔输出端接负载RL，RL可以是一般电阻，也可以是放大器输入电阻或表头内阻等。8.5电磁特性1、UH-I特性当磁场恒定时，在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势UH，可以得到良好的线性关系。结论：1）灵敏度KH大的元件，其控制电流灵敏度一般也很大。2）灵敏度大的元件，其霍尔电势输出并不一定大，这是因为霍尔电势的值与控制电

6、流成正比的缘故。3）由于建立霍尔电势所需的时间很短(约10-12s)，因此控制电流采用交流时频率可以很高(例如几千兆赫兹)，而且元件的噪声系数较小，如锑化铟的噪声系数约7.66dB。图8-7霍尔元件的UH-I特性曲线8.5电磁特性2、UH-B特性当控制电流保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离。图8-8霍尔元件的UH-B特性曲线8.6误差分析及其补偿方法1、元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响在霍尔电势的表达式中，是将霍尔片的长度L看做无限大来考虑的。实际上，霍尔片具有一定的长宽比L/b，存在

7、着霍尔电场被控制电流极短路的影响，因此应在霍尔电势的表达式中增加一项与元件几何尺寸有关的系数。霍尔电势表达式可写成如下形式。结论：1）当L/b>2时，形状系数fH(L/b)接近1。2）为了提高元件的灵敏度，可适当增大L/b值，但是实际设计时取L/b=2已经足够了。因为L/b过大反而使输入功耗增加，以致降低元件的效率。图8-9霍尔元件的形状系数曲线8.6误差分析及其补偿方法霍尔电极的大小对霍尔电势的输出也存在一定影响。按理想元件的要求，控制电流的电极应与霍尔元件是良好的面接触，而霍尔电极与霍尔元件为点接触。实际上霍尔电极有一定的宽度l

8、，它对元件的灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明,当l/L<0.1时，电极宽度的影响可忽略不计。图8-10霍尔电极的大小对UH的影响8.6误差分析及其补偿方法2、不等位电势U0及其补偿由于制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等