磁電式傳感器-霍爾傳感器(1)課件

第六章磁敏傳感器

霍爾傳感器

HallSensor霍爾式傳感器

霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應,

但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展,開始用半導體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。霍爾元件是一種四端元件霍爾傳感器的工作原理1．霍爾效應半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。磁感應強度B為零時的情況ABCD當有圖示方向磁場B作用時作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軺H可用下式表示：

UH=KHIB霍爾效應演示

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側偏移，在半導體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。ABCD所以，霍爾電壓UH可表示為

UH=EHb=vBb設霍爾元件為N型半導體，當它通電流I時

FL=qvB

當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有

qEH=qvB故霍爾電場的強度為

EH=vB流過霍爾元件的電流為

I=dQ/dt=-bdvnq得：

v=-I/nqbd所以：

UH=-BI/nqd

若取

RH=-1/nq

則

RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由半導體材料的性質決定，它反映材料霍爾效應的強弱。n為半導體中的電子濃度，即單位體積中的電子數(shù)，負號表示電子運動方向與電流方向相反。設KH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小.單位是mV/（mA·T）結論：①如果是P型半導體，其載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得②霍爾電壓UH與材料的性質有關。由上式可知、大，霍爾系數(shù)就大。金屬雖然很大，但很小，不宜做成霍爾元件；絕緣材料的很高，但很小，也不能做霍爾元件。故霍爾傳感器中的霍爾元件都是半導體材料制成的。④霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。

根據(jù)上式，d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高.所以霍爾元件的厚度都比較薄，薄膜霍爾元件的厚度只有1m左右。但d過小，會使元件的輸入、輸出電阻增加?？梢酝瞥?，霍爾電動勢UH的大小為：

式中：kH為靈敏度系數(shù)，kH=RH/d，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小,與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸d有關；霍爾系數(shù)RH＝1/(nq)，由材料物理性質所決定，q為電子電荷量；n為材料中的電子濃度。為磁場和薄片法線夾角。a二、霍爾元件材料

電阻率、載流子遷移率、霍爾系數(shù)1．鍺(Ge)，N型及P型均可。

2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似?；魻栐臉嬙旒皽y量電路

基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖所示。一、構造

2)霍爾元件的材料鍺(Ge)、硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)和砷化鎵(GaAs)是常見的制作霍爾元件的幾種半導體材料。表6-2所列為制作霍爾元件的幾種半導體材料主要參數(shù)。電阻率電子遷移率

材料(單晶)禁帶寬度Eg/(eV)/(Ω·cm)/(cm2/V·s)霍爾系數(shù)RH/(cm3·C-1)N型鍺(Ge)0.661.0350042504000N型硅(Si)1.1071.5150022501840銻化銦(InSb)0.170.005600003504200砷化銦(InAs)0.360.0035250001001530磷砷銦(InAsP)0.630.08105008503000哪種材料制作的霍爾元件靈敏度高？6.2.3霍爾元件的技術參數(shù)1.額定激勵電流IH使霍爾元件溫升10°C所施加的控制電流值。當霍爾元件做好后，限制額定電流的主要因素是散熱條件。2.輸入電阻Ri和輸出電阻RORi

是指控制電流極之間的電阻值。R0

指霍爾電極間的電阻值。Ri

、R0可以在無磁場時用歐姆表等測量。

3.不等位電勢U0及零位電阻r0

在額定控制電流I下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。

當霍爾元件的激勵電流為I時,若元件所處位置磁感應強度為零,則它的霍爾電勢應該為零,但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。4、寄生直流電勢

當不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電勢為直流與交流電勢之和。其中的交流霍爾電勢與前述零位電勢相對應，而直流霍爾電勢是個寄生量，稱為寄生直流電勢V。5、熱阻RQ

它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時產(chǎn)生的溫升，單位為0C／mW。所以稱它為熱阻是因為這個溫升的大小在一定條件下與電阻有關.6.靈敏度減小d;選好的半導體材料霍爾元件的主要技術參數(shù)二、測量電路霍爾元件的基本測量電路如圖5-22所示。激勵電流由電源E供給，可變電阻RP用來調節(jié)激勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。圖5-22霍爾元件的基本測量電路（a）基本測量電路WUHRLEW1W2UHUH~（b）直流供電輸出方式（c）交流供電輸出方式霍爾元件的轉換效率較低，實際應用中，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)或采用運算放大器放大，以獲得較大的UH?；魻栐倪B接電路練習題1、制作霍爾元件應采用的材料是

，因為半導體材料能使截流子的

的乘積最大，而使兩個端面出現(xiàn)

差最大。2、霍爾片不等位電勢是如何產(chǎn)生的原因是重要起因是

焊接在同一等位面上。3、霍爾電動勢與哪些因素有關?如何提高霍爾傳感器的靈敏度?3答：練習題1、制作霍爾元件應采用的材料是半導體材料，因為半導體材料能使截流子的遷移率與電阻率的乘積最大，而使兩個端面出現(xiàn)電勢差最大。2、霍爾片不等位電勢是如何產(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、霍爾電動勢與哪些因素有關?如何提高霍爾傳感器的靈敏度?3答：霍爾電動勢與霍爾電場EH、載流導體或半導體的寬度b、載流導體或半導體的厚度d、電子平均運動速度u、磁場感應強度B、電流I有關。?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，霍爾元件常制成薄片形。又因為霍爾元件的靈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。不等位電動勢產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上。

霍爾元件的誤差及補償

1．霍爾元件的零位誤差與補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。

1)不等位電動勢不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種，它是當霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10℃所對應的電流)作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電動勢。此外,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產(chǎn)生不等位電動勢。2)寄生直流電勢在無磁場的情況下，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。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因有兩個方面：(1)由于控制電極焊接處接觸不良而造成一種整流效應，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。(2)輸出電極焊點熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。對于鍺霍爾元件，當交流控制電流為20

mA時，輸出電極的寄生直流電壓小于100。

3)感應零電動勢感應零電動勢是在未通電流的情況下，由于脈動或交變磁場的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動勢。根據(jù)電磁感應定律，感應電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構成的感應面積成正比，如圖所示。4)自激場零電動勢霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場，如圖所示。由于元件的左右兩半場相等，故產(chǎn)生的電動勢方向相反而抵消。實際應用時由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場，使元件左右兩半場強不等，因而有霍爾電動勢輸出，這一輸出電動勢即是自激場零電動勢。在上述的4種零位誤差中，寄生直流電動勢、感應零電動勢以及自激場零電動勢，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。而不等位電動勢所造成的零位誤差，則必須通過補償電路給予克服。在理想情況下R1=R2=R3=R4，即可取得零位電動勢為零(或零位電阻為零)，從而消除不等位電動勢。實際上，若存在零位電動勢，則說明此4個電阻不完全相等，即電橋不平衡。為使其達到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)可調電阻RP或在兩個臂上同時并聯(lián)電阻RP和R?；魻栐Y構及等效電路如圖霍爾元件補償電路1.不等位電勢的補償不等位電勢AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4

霍爾元件的等效電路圖不等位電勢的補償電路2．霍爾元件的溫度誤差及補償與一般半導體一樣，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,霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。將溫度每變化1℃時，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率Ri/Ro稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。

將溫度每變化1℃時，霍爾電壓的相對變化率UHt/UH0稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。幾種溫度誤差的補償方法1)采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻補償基本電路及等效電路如圖霍爾電壓隨溫度變化的關系式為：

對上式求溫度的導數(shù)得，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使外接電阻：2)合理選擇負載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電動勢UH都是溫度的函數(shù)(設為正溫度系數(shù))，當霍爾元件接有負載RL時，在RL上的電壓為：為了負載上的電壓不隨溫度變化，應使dUL/d(t-t0)=0，即式中：Ro0為溫度t0時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償溫度誤差，但霍爾元件的靈敏度將會降低。3)采用溫度補償元件(如熱敏電阻、電阻絲)這是一種常用的溫度誤差補償方法。由于熱敏電阻具有負溫度系數(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，輸入回路并接電阻絲，或輸出端串接熱敏電阻對具有負溫度系數(shù)的銻化銦材料霍爾元件進行溫度補償?？刹捎幂斎攵瞬⒔訜崦綦娮璺绞綄敵鼍哂姓郎囟认禂?shù)的霍爾元件進行溫度補償。一般來說，溫度補償電路、霍爾元件和放大電路應集成在一起制成集成霍爾傳感器。2.溫度誤差及補償◆溫度誤差

霍爾元件是采用半導體材料制成的,因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時,霍爾元件的電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化,從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。霍爾系數(shù)與溫度的關系可寫成：

KH=KH0(1+T)霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關系可寫成

r=r0(1+ΔT)（1）分流電阻法

為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵電流I變化所帶來的影響。

大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+ΔT）倍。如果,與此同時讓激勵電流I相應地減小,并能保持KHI乘積不變,也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖5-6就是按此思路設計的一個既簡單、補償效果又較好的補償電路。UH

恒流源的分流電阻溫度補償法常采用分流電阻R0與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時,旁路分流電阻R0自動地加強分流,減少了霍爾元件的激勵電流I,從而達到補償?shù)哪康摹Ｔ趫D所示的溫度補償電路中,設初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為r0,靈敏系數(shù)為KH,分流電阻為R0,根據(jù)分流概念得圖分流電阻補嘗電路示意圖ICI0當溫度升至T時,電路中各參數(shù)變?yōu)?/p>

r=r0(1+ΔT)R=R0(1+βΔT)KH=KH0(1+T)式中:——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù);β——分流電阻溫度系數(shù)。則

UH0=UHKH0IH0B=KHIHB則KH0IH0=KHIH將前面的式子代入上式,經(jīng)整理并略去α、β、(ΔT)2高次項后得

當霍爾元件選定后,它的輸入電阻r0和溫度系數(shù)及霍爾電勢溫度系數(shù)是確定值。由上式即可計算出分流電阻R0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足R0及β兩個條件,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,這樣雖然麻煩但效果很好。

雖然溫度升高ΔT,為使霍爾電勢不變,補償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變,即

(2)電橋補償法調節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。當溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，使電橋的輸出電壓相應變化，仔細調節(jié)，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt5霍爾傳感器的應用霍爾元件具有結構牢固、工藝成熟、體積小、壽命長、線性度好、頻率高、耐振動、不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕的優(yōu)點，目前，霍爾傳感器是全球使用量排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應用到工業(yè)、汽車業(yè)、計算機、手機以及新興消費電子領域中。霍爾式傳感器的應用舉例

霍爾電勢是關于I、B、

三個變量的函數(shù)，即UH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。檢測磁場檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應強度成線性正比的電壓?；魻栁灰苽鞲衅骰魻柺轿灰苽鞲衅髟硎疽鈭D將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從

a端通入電流I，根據(jù)霍爾效應，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。霍爾式壓力傳感器霍爾壓力