磁電式傳感器-霍爾傳感器

1、磁電式傳感器-霍爾傳感器霍爾傳感器霍爾傳感器 Hall Sensor霍爾式傳感器霍爾式傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。18791879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)了霍爾效應(yīng), , 但由于但由于金屬材料金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, , 開始用開始用半半導(dǎo)體材料導(dǎo)體材料制成霍爾元件制成霍爾元件, , 由于它的霍爾效應(yīng)顯著由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測(cè)而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅?/p>

2、廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 霍爾元件是一霍爾元件是一種四端元件種四端元件 霍爾式傳感器是基于霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁敏傳感器，利用半導(dǎo)體元件對(duì)磁場敏感的特性來實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)霍爾器件是一種磁敏傳感器，利用半導(dǎo)體元件對(duì)磁場敏感的特性來實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，它們可以檢測(cè)磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。換，它們可以檢測(cè)磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。 按照霍爾器件的功能可將它們分為：按照霍爾器件的功能可將它們分為：霍爾線性

3、器件霍爾線性器件和和霍爾開關(guān)器件霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 霍爾器件具有許多霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高長，安裝方便，功耗小，頻率高( (可達(dá)可達(dá)1 1MHz)MHz)，耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、，耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高。采用了各種補(bǔ)

4、損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55-55+150+150。m霍爾傳感器的工作原理霍爾傳感器的工作原理1 1霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B B 的磁場中，磁場方向垂直于薄的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流片，當(dāng)有電流I I 流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E EH H，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B B為零時(shí)的情況為零時(shí)的情

5、況A AB BC CD D當(dāng)有圖示方向磁場當(dāng)有圖示方向磁場B B作用時(shí)作用時(shí) 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高。越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)霍爾電勢(shì)U UH H可用下式表示：可用下式表示： UH=KH IB霍爾效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片在半導(dǎo)體薄片A A、B B方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。A AB BC CD DUHbldIFLFEvB設(shè)霍爾元件為設(shè)霍爾元件為N N型型半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流半

6、導(dǎo)體，當(dāng)它通電流I I時(shí)時(shí) FL = qvB 當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有這時(shí)有 qEH=qvBdIBRUHHRH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由。顯然，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。 n為半導(dǎo)體中的電子濃度，即單位體積中的電子數(shù)，負(fù)號(hào)表示電子運(yùn)動(dòng)方為半導(dǎo)體中的電子濃度，即單位體積中的電子數(shù)，負(fù)號(hào)表示電子運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相反。向與電流方向相反。dRKHH設(shè)IBKUHHKH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電

7、流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小. 單位是mV/（mAT）nqdKH1IEvlUEvIbBlUvbBUHlBUbRbdlUdBRRUdBRdIBRUHHHHHHR HRpedIBUHHRbBlUvbBUHdRKHH可以推出，霍爾電動(dòng)勢(shì)可以推出，霍爾電動(dòng)勢(shì)UH的大小為：的大小為： HHcosUk IB式中：式中：kH為靈敏度系數(shù)，為靈敏度系數(shù)，kH= RH/d，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小, ,與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸d d有關(guān)；有關(guān)； 霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)R

8、H1/(nq)，由材料物理性質(zhì)所決定，由材料物理性質(zhì)所決定，q為電子電荷量為電子電荷量 ；n為為材料中的電子濃度。材料中的電子濃度。 為磁場和薄片法線夾角。為磁場和薄片法線夾角。 2 2霍爾元件霍爾元件霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片( (一般為一般為4 4mmmm2 2mmmm0.10.1mm)mm)，經(jīng)研磨，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成

9、霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線。霍爾元件的殼體用。霍爾元件的殼體用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。 (a) (a) 霍爾元件外形霍爾元件外形 (b)(b)電路符號(hào)電路符號(hào) (c) (c) 基本應(yīng)用電路基本應(yīng)用電路二、霍爾元件材料二、霍爾元件材料。 2) 2) 霍爾元件的材料霍爾元件的材料鍺鍺(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)(InSb)、砷化

10、銦、砷化銦(InAs)(InAs)和砷化鎵和砷化鎵(GaAs)(GaAs)是是常見的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料。表常見的制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料。表6-26-2所列為制作霍爾元件所列為制作霍爾元件的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。的幾種半導(dǎo)體材料主要參數(shù)。1 2/電阻率電阻率電子遷移率電子遷移率 材料材料(單晶單晶)禁帶寬度禁帶寬度Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍爾系數(shù)霍爾系數(shù)RH/(cmC-1-1)N型鍺型鍺(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1.1071.5150022501840銻化銦銻化銦(InSb)0.170.005600003504200砷化銦砷

11、化銦(InAs)0.360.0035250001001530磷砷銦磷砷銦(InAsP)0.630.08105008503000哪種材料制作的霍爾元件靈敏度高哪種材料制作的霍爾元件靈敏度高1.1.額定激勵(lì)電流額定激勵(lì)電流I IH H使霍爾元件溫升使霍爾元件溫升1010C C所施加的控制電流值。當(dāng)霍爾元件做好后，所施加的控制電流值。當(dāng)霍爾元件做好后，限制額定電流的主要因素是散熱條件。限制額定電流的主要因素是散熱條件。2.2.輸入電阻輸入電阻R Ri i和輸出電阻和輸出電阻R RO OR Ri i 是指控制電流極之間的電阻值。是指控制電流極之間的電阻值。R R0 0 指霍爾電極間的電阻值。指霍爾電極

12、間的電阻值。R Ri i 、R R0 0可以在無磁場時(shí)用歐姆表等測(cè)量。可以在無磁場時(shí)用歐姆表等測(cè)量。 3.3.不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)U U0 0及零位電阻及零位電阻r r0 0 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I I時(shí)時(shí), , 若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零為零, , 則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零, , 但實(shí)際不為零。但實(shí)際不為零。 這時(shí)測(cè)得的這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)?？蛰d霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。000BHIBKU產(chǎn)生的原因有產(chǎn)生的原因有: 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上; ; 半導(dǎo)體

13、材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻（如片厚薄半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻（如片厚薄不均勻等）不均勻等）; ; 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 這些工藝上問題都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等這些工藝上問題都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電勢(shì)。位面上而產(chǎn)生不等位電勢(shì)。 u 不等位電阻不等位電阻 不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示: HIUr004、寄生直流電勢(shì)、寄生直流電勢(shì)當(dāng)不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍當(dāng)不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電

14、勢(shì)為直流與交流電勢(shì)之和。其中爾電極間的空載電勢(shì)為直流與交流電勢(shì)之和。其中的交流霍爾電勢(shì)與前述零位電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍的交流霍爾電勢(shì)與前述零位電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍爾電勢(shì)是個(gè)寄生量，稱為寄生直流電勢(shì)爾電勢(shì)是個(gè)寄生量，稱為寄生直流電勢(shì)V V。5、熱阻熱阻RQ它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmWlmW的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為0 0C CmWmW。所以稱。所以稱它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)關(guān). .dRKHH/ 型型號(hào)號(hào) 材材料料 控控制制 電電流

15、流(mA) 霍霍爾爾 電電壓壓 (mV, 0.1T) 輸輸入入 電電阻阻 () 輸輸出出 電電阻阻 () 靈靈敏敏度度(mV/mA.T) 不不等等位位電電勢(shì)勢(shì)(mV) VH溫溫度度 系系數(shù)數(shù)(%/) EA218 InAs 100 8 8. .5 5 3 3 1 1. .5 5 0 0. .3 35 5 1 13 3 6 6. .5 5 2 2. .4 4 0 0. .7 75 5 1 1 0 0. .0 07 7 VHG-110 GaAs 5 5 5 - -1 10 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 2 20 00 0- -8 80 00 0 3 30 0- -2 22 20 0

16、 5 5 4 40 0 3 30 0 2 2. .5 5 _ _ - -0 0. .0 02 2 MF07FZZ InSb 10 4 40 0- -2 29 90 0 8 8- -6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MF19FZZ InSb 10 8 80 0- -6 60 00 0 8 8- -6 60 0 8 8- -6 65 5 _ _ 1 10 0 - -2 2 MH07FZZ InSb 1V 8 80 0- -1 12 20 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .

17、3 3 MH19FZZ InSb 1V 1 15 50 0- -2 25 50 0 8 80 0- -4 40 00 0 8 80 0- -4 43 30 0 _ _ 1 10 0 - -0 0. .3 3 KH-400A InSb 5 2 25 50 0- -5 55 50 0 2 24 40 0- -5 55 50 0 5 50 0- -1 11 10 0 5 50 0- -1 11 10 00 0 1 10 0 - -0 0. .3 3 霍爾片基本測(cè)量電路圖如下所示?；魻柶緶y(cè)量電路圖如下所示。 （1）霍爾器件為四端口元件，其中）霍爾器件為四端口元件，其中1-3為（為（控制控制）電極；

18、）電極；2-4為（為（霍爾霍爾）電極；電極；（2）霍爾元件的輸入電阻是指（）霍爾元件的輸入電阻是指（控制）電極間的電阻值，輸出電阻是指（控制）電極間的電阻值，輸出電阻是指（霍爾霍爾）電極間的電阻值。電極間的電阻值。（3）霍爾片的不等位電勢(shì)）霍爾片的不等位電勢(shì)U0由不等位電阻由不等位電阻r0引起，發(fā)生在（引起，發(fā)生在（霍爾）電極上霍爾）電極上.二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路 霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖5-225-22所示。所示。 激勵(lì)電流由電源激勵(lì)電流由電源E E供給，可變供給，可變電阻電阻R RP P用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I I的大小。的大小。R RL L為輸出霍

19、爾電勢(shì)為輸出霍爾電勢(shì)U UH H的負(fù)載電阻。通常它的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。阻抗。圖5-22 霍爾元件的基本測(cè)量電路（a）基本測(cè)量電路）基本測(cè)量電路WUHRLEW1W2UHUH霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，可將幾個(gè)霍霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實(shí)際應(yīng)用中，可將幾個(gè)霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較爾元件的輸出串聯(lián)或采用運(yùn)算放大器放大，以獲得較大的大的U UH H?；魻栐倪B接電路霍爾元件的連接電路練習(xí)題 1、制作霍爾元件應(yīng)采用的材料是 ，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料能使截流子的 的乘積最大，而使兩個(gè)端面出現(xiàn) 差最大。 2、霍

20、爾片不等位電勢(shì)是如何產(chǎn)生的原因是重要起因是 焊接在同一等位面上。 3、霍爾電動(dòng)勢(shì)與哪些因素有關(guān)?如何提高霍爾傳感器的靈敏度? 3答：練習(xí)題1、制作霍爾元件應(yīng)采用的材料是半導(dǎo)體材料，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料能使截流子的遷移率與電阻率的乘積最大，而使兩個(gè)端面出現(xiàn)電勢(shì)差最大。2、霍爾片不等位電勢(shì)是如何產(chǎn)生的原因是重要起因是不能將霍爾電極焊接在同一等位面上。3、霍爾電動(dòng)勢(shì)與哪些因素有關(guān)?如何提高霍爾傳感器的靈敏度? 3答：霍爾電動(dòng)勢(shì)與霍爾電場EH、載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的寬度b、載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體的厚度d、電子平均運(yùn)動(dòng)速度u、磁場感應(yīng)強(qiáng)度B、電流I有關(guān)。 霍爾傳感器的靈敏度KH =RH/d。為了提高霍爾傳感器的靈敏度，

21、霍爾元件常制成薄片形。又因?yàn)榛魻栐撵`敏度與載流子濃度成反比，所以可采用自由電子濃度較低的材料作霍爾元件。 1HHdnedRK 1HHdnedRK 不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上。同一等位面上。 霍爾元件的誤差及補(bǔ)償霍爾元件的誤差及補(bǔ)償 1 1霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差與補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場或無控制電流的情況下，霍爾霍爾元件的零位誤差是指在無外加磁場或無控制電流的

22、情況下，霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差。它主要表現(xiàn)為以下幾種具體形式。形式。 1) 1) 不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種，它是當(dāng)不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種，它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流霍爾元件在額定控制電流( (元件在空氣中溫升元件在空氣中溫升1010所所對(duì)應(yīng)的電流對(duì)應(yīng)的電流) )作用下，不加外磁場時(shí)，霍爾輸出端之作用下，不加外磁場時(shí)，霍爾輸出端之間的空載電動(dòng)勢(shì)。間的空載電動(dòng)勢(shì)。 此外此外, ,霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，霍爾片電阻率不均勻，或片厚薄不均勻，或控制電流極接觸不良都

23、將使等位面歪斜，如或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，如圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而圖所示，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。 2) 2) 寄生直流電勢(shì)寄生直流電勢(shì)在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因有兩個(gè)方外的直流分量稱為寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因有兩個(gè)方面：面：(1)(1)由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小

24、不等而具有一定的直流分量。流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。(2)(2)輸出電極焊點(diǎn)輸出電極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為2020mAmA時(shí)，輸出電極的寄生直流電壓小于時(shí)，輸出電極的寄生直流電壓小于100 100 。V 3) 3) 感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流的情況下，由于脈動(dòng)感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)是在未通電流的情況下，由于脈動(dòng)或交變磁場的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。根或交變磁場的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與霍爾元件據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的

25、大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖所示。輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比，如圖所示。 4) 4) 自激場零電動(dòng)勢(shì)自激場零電動(dòng)勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，如圖所示?；魻栐刂齐娏鳟a(chǎn)生自激場，如圖所示。由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動(dòng)由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場強(qiáng)不流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場強(qiáng)不等，因而有霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出，這一輸出電動(dòng)等，因而有霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出，這一輸出電動(dòng)勢(shì)即是自激場零電動(dòng)勢(shì)。勢(shì)即是自激場零電動(dòng)勢(shì)。在上述的在上述的4 4種零位誤差

26、中，寄生直流電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)以及自激場零種零位誤差中，寄生直流電動(dòng)勢(shì)、感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)以及自激場零電動(dòng)勢(shì)，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過工藝水平的提電動(dòng)勢(shì)，是由于制作工藝上的原因而造成的誤差，可以通過工藝水平的提高加以解決。而高加以解決。而不等位電動(dòng)勢(shì)不等位電動(dòng)勢(shì)所造成的零位誤差，則必須通過補(bǔ)償電所造成的零位誤差，則必須通過補(bǔ)償電路給予克服。路給予克服。在理想情況下在理想情況下R R1 1= =R R2 2= =R R3 3= =R R4 4，即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零，即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零( (或零位電阻為零或零位電阻為零) )，從而，從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上，若存在零位電動(dòng)

27、勢(shì)，則說明此消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上，若存在零位電動(dòng)勢(shì)，則說明此4 4個(gè)電阻不完全相等，個(gè)電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻即電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調(diào)電阻R RP P或在或在兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻兩個(gè)臂上同時(shí)并聯(lián)電阻R RP P和和R R。 霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖霍爾元件結(jié)構(gòu)及等效電路如圖不等位電勢(shì)不等位電勢(shì)AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4霍爾元件的等效電路霍爾元件的等效電路圖 不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路 2 2霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償霍爾元件的溫度誤差及補(bǔ)償與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫

28、度與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出電阻變化，所以霍爾元件的性能參數(shù)如輸入、輸出電阻, ,霍爾常數(shù)等也霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。將溫度每變化將溫度每變化11時(shí)，霍爾元時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)變化率變化率R Ri i/ /R Ro o稱為內(nèi)阻溫度系稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用數(shù)，用 表示。表示。 將溫度每變化將溫度每變化11時(shí)，霍爾電時(shí)，霍爾電壓的相對(duì)變化率壓的相對(duì)變化率U UHtHt/ /U UH0H0稱為霍稱為霍爾電壓溫

29、度系數(shù)，用爾電壓溫度系數(shù)，用 表示。表示。 幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法1) 1) 采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 HtHitREBURRd補(bǔ)償基本電路及等效電路如圖補(bǔ)償基本電路及等效電路如圖霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：i0()RR 對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)得，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使外接電阻：使外接電阻： L H 00LLo001 ()1 ()RUt tUR Rt t 2) 2) 合理選擇負(fù)載電阻合理選擇負(fù)載電阻R RL L的阻值的阻值霍爾元件的輸出電阻霍爾元件

30、的輸出電阻R Ro o和霍爾電動(dòng)勢(shì)和霍爾電動(dòng)勢(shì)U UH H都是溫度的函數(shù)都是溫度的函數(shù)( (設(shè)為正溫度系設(shè)為正溫度系數(shù)數(shù)) )，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載R RL L時(shí)，在時(shí)，在R RL L上的電壓為：上的電壓為：Lo 0(1)RR為了負(fù)載上的電壓不隨溫度變化，應(yīng)使為了負(fù)載上的電壓不隨溫度變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即，即0000rRIRIH式中：式中：R Ro0o0為溫度為溫度t t0 0時(shí)的霍爾元件輸出電阻。時(shí)的霍爾元件輸出電阻?？刹捎么?、并連電阻的方法使上式成立來補(bǔ)償溫度誤差，但可采用串、并連電阻的方法使上式成立來補(bǔ)償溫度誤差，但霍爾元件的靈敏度將會(huì)降低?；魻栐?/p>

31、靈敏度將會(huì)降低。 3) 3) 采用溫度補(bǔ)償元件采用溫度補(bǔ)償元件( (如熱敏電阻、電阻絲如熱敏電阻、電阻絲) )這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電這是一種常用的溫度誤差補(bǔ)償方法。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻阻絲具有正溫度系數(shù)，可采用輸入回路串接熱敏電阻，輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對(duì)具有負(fù)溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進(jìn)行絲，或輸出端串接熱敏電阻對(duì)具有負(fù)溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄?duì)輸出具有正溫度系數(shù)的霍爾溫度補(bǔ)償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄?duì)輸出具

32、有正溫度系數(shù)的霍爾元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來說，溫度補(bǔ)償電路、霍爾元件和放大電路應(yīng)集元件進(jìn)行溫度補(bǔ)償。一般來說，溫度補(bǔ)償電路、霍爾元件和放大電路應(yīng)集成在一起制成集成霍爾傳感器。成在一起制成集成霍爾傳感器。溫度誤差溫度誤差 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, , 因此它們的許多參數(shù)都具因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí), , 霍爾元件的電阻率及霍爾系數(shù)霍爾元件的電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化都將發(fā)生變化, , 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差?；魻栂禂?shù)與溫度的關(guān)系可寫成霍爾系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成 ： K

33、H = KH0(1+ T)霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關(guān)系可寫成霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關(guān)系可寫成 r = r0(1+ T)（1）分流電阻法分流電阻法 為了減小霍爾元件的溫度誤差為了減小霍爾元件的溫度誤差, , 除除選用溫度系數(shù)小的元選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施件或采用恒溫措施外外, , 由由U UH H=K=KH HIBIB可看出：采用恒流源供電是可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施個(gè)有效措施, , 可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定?？梢允够魻栯妱?shì)穩(wěn)定。 但也但也只能減小由于輸入只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流I I變化所帶來的影響。變化所帶來的影響

34、。 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù) 是正值是正值, , 它們的霍爾電它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加勢(shì)隨溫度升高而增加（1+1+ TT）倍。如果）倍。如果, ,與此同時(shí)讓激與此同時(shí)讓激勵(lì)電流勵(lì)電流I I相應(yīng)地減小相應(yīng)地減小, , 并能保持并能保持 K KH HI I 乘積不變乘積不變, , 也就抵也就抵消了靈敏系數(shù)消了靈敏系數(shù)K KH H 增加的影響。圖增加的影響。圖 5-6 5-6 就是按此思路設(shè)計(jì)的一就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡單、個(gè)既簡單、 補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。UH 恒流源的分流電阻溫度補(bǔ)償法常采用分流電阻恒流源的分流電阻溫度補(bǔ)償法常采用分流

35、電阻R0與霍爾與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。 當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)而增加時(shí), 旁路分流電阻旁路分流電阻R0自動(dòng)地加強(qiáng)分流自動(dòng)地加強(qiáng)分流, 減少了霍爾元件的減少了霍爾元件的激勵(lì)電流激勵(lì)電流I, 從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹亩_(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。在圖在圖 所示的溫度補(bǔ)償電路中所示的溫度補(bǔ)償電路中, 設(shè)初始溫度為設(shè)初始溫度為T0, 霍爾元件輸霍爾元件輸入電阻為入電阻為r0, 靈敏系數(shù)為靈敏系數(shù)為KH, 分流電阻為分流電阻為R0, 根據(jù)分流概念得根據(jù)分流概念得I圖 分流電阻補(bǔ)嘗電路示意圖分流電阻補(bǔ)嘗電路示意圖2340RrRRIIH當(dāng)溫度升至當(dāng)溫

36、度升至T T時(shí)時(shí), , 電路中各參數(shù)變?yōu)殡娐分懈鲄?shù)變?yōu)?r = r0(1+ T) R = R0(1+T) KH = KH0(1+ T)式中: 霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù); 分流電阻溫度系數(shù)分流電阻溫度系數(shù)。則 )1 ()1 ()1 (000TrTRITR00)(iRR UH0=UH KH0IH0B=KHIHB則 KH0IH0=KH IH 將前面的式子代入上式, 經(jīng)整理并略去、 (T)2高次項(xiàng)后得 當(dāng)霍爾元件選定后當(dāng)霍爾元件選定后, , 它的輸入電阻它的輸入電阻r r0 0和溫度系數(shù)和溫度系數(shù) 及霍爾及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)電勢(shì)溫度系數(shù) 是確定值。由上式即可計(jì)算出分流電阻是確定值。由上式即可計(jì)算出分流電阻R R0 0及及所需的溫度系數(shù)所需的溫度系數(shù)值。為了滿足值。為了滿足R R0 0及及兩個(gè)條件兩個(gè)條件, , 分流電分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合, , 這樣雖這樣雖然麻煩但效果很好。然麻煩但效果很好。 雖然溫度升高雖然溫度升高T, T, 為使霍爾電勢(shì)不變?yōu)槭够魻栯妱?shì)不變, , 補(bǔ)償電路必須滿足補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、溫升前、 后的霍爾電勢(shì)不變后的霍爾電勢(shì)不變, , 即即 (2)(2)電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法5 5 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾元件具有結(jié)構(gòu)牢固、工藝成熟、體積小、壽命長、線性度霍爾元件具