52霍尔式传感器试题docx.docx

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5.2霍尔式传感器

雀尔传感器是半导体磁敏传感器的一种。

半导体磁頌传感器是利用半导体材料中的口由电子及空穴的运动方向随磁场改变而改变这一特性制成的，按其结构可分为体型和结型两人类，霍尔传感器和磁敏电阻属于体型，磁敏二极管和磁敏三极管属于结型。

霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。

1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应，但直到20世纪50年代，由于微电了学的发展，才被人们所重视和利用，开发了多种霍尔元件。

我国从20世纪7（）年代开始研究霍尔器件，经3（）余年的研究和开发，冃前已经能生产各种性能的崔尔元件，如普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。

5.2.1霍尔效应与霍尔元件材料

1霍尔效应

一块长为/、宽为b、厚度为〃的半导休薄片，置于磁感应强度为B的磁场中（z方向），磁场方向垂直与薄片所在平血，如图521所示。

当在它相对的两边通以控制电流/（y方向），磁场的方向与电流方

向正交，则在垂直于电流和磁场方向的半导体另外两边上（兀方向），将产生电动势"h，英大小与控制电

流和磁感应强度成正比，即UH=kHIBf这种现象叫霍尔效应，其中灯为霍尔元件的灵敏度，该电势称

霍尔效应是半导体中占由电荷受磁场洛仑兹力作用而产生的。

假设霍尔元件为N型半导体，在其左右两端通以电流/,称为控制电流。

那么，半导体多子-电子，将沿着与电流/相反的方向运动。

由于外磁场3的作用，使电子受到洛伦兹力仇的作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上，电子进行积累，而前端而缺少电阻，因此，后端面带负电，前端而带止电，在前后两端面间形成电场。

电子在该电场中受到的电场力件阻碍电了继续偏转，当件与坊.相等时，电了的积累和偏转达到动态平衡。

这时，在半导体的

前后两个端面间建立的电场叫霍尔电场，相应的电势就是霍尔电势o

若电子以速度v按图5.2.1示方向运动，受到的洛伦兹力为

FL=evB（5.2」）

电了受到的电场力为

（5.2.2）

负号表示力的方向与电场方向相反。

？

b,d分别为半导体的长、宽、高。

由于

Eh=UH/b（5.2.3）

则电子受到的电场力可表示为

Fe=—eUH/b（5.2.4）

当电子的偏转积累使得电子受到的力达到动态平衡时

Fe+片=0（5.2.5）

将（5.2.1）式和（5.2.4）代入上式得到

vB=UH/b（5.2.6）

半导体中的电流密度为（流过单位面积的电流强度）

j=-nev（5.2.7）

其中斤为/V型半导体中的电子浓度，即单位体积小的电子数，负号表示电流方向与电子运动方向相反。

所以电流强度为

（5.2.8）

I-j•cib=-nev•ab

（529）

（5210）

代入（526）式得到

UH=-—=RH—=kHIBnedd

（5.2.11）

在单位磁感应强度和单位控制电流的作用下，能输岀崔尔电势的人小。

如果磁场与霍尔元件的法线有G的夹角，则（5.2.10）改写成

UH=kHIBcosa

金属材料中自由电子浓度”很高，因此很小，使输岀〃〃很小，不宜制作隼尔元件。

霍尔式传感器屮的霍尔元件都是用半导体材料制成。

如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴的浓度为P，则同理可得霍尔电势

（5212）

材料的电阻率。

与载流子的浓度"（或斤）、载流子的迁移率“（Z/=v/E,即单位电场强度作用下

载流子的平均速度）的关系为

（5213）

1十1

p=或°=

pqu叫卩

其中q为载流子的电量」那么可以得到

（5214）

由此门J见，要想崔尔效应强，就希望/?

〃值大，这就要求材料的电阻率高，同时迁移率大。

一•般金属材料的载流子迁移率很大，但电阻率很低；而绝缘体的电阻率虽然很高，但载流子迁移率极小。

只有半导体才是两者兼优的制造霍尔元件的理想材料。

而且，一般地，电子的迁移率人于空穴的迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。

市式（5.2.10）可知，d越小，石就越人，所以，一般的霍尔元件都很薄，厚度在1〃加左右。

当控制电流和磁场方向之一的方向反向，则霍尔电势的方向反向。

但是，当它们同时反向，霍尔电势方向不变。

当崔尔元件的材料和尺寸都确定后，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度。

因此，当控制电流一定吋，可用霍尔元件测量磁感应强度，或当磁感应强度一定时，可测量电流。

特别地，当控制电流一定，崔尔元件处于一-线性梯度磁场屮，当霍尔元件移动时，输出的崔尔电势就能反映磁场的大小，从而知道霍尔元件的位置，因此可用来测量微小位移、压力和机械振动等。

2霍尔元件材料

1错（Ge）

2硅（Si）

3神化锢（InAs）和铢化钢（InSb）

5.2.2霍尔元件的构造及测量电路

1构造

由霍尔片、四极引线和壳体组成。

雀尔片是一半导体单晶薄片。

四极引线分为控制电流端引线和崔尔输出端引线。

控制电流端引线分别焊在位移品片长度走向的两个端而上，通常为红色导线，其焊接处叫控制电流极；霍尔输出引线位于晶片的宽度走向上，分别焊接在两侧面的中心位置，通常为绿色导线，其焊接处叫霍尔电极。

要求它们的焊接都是欧姆焊接，即接触电阻很小，且呈纯电阻（无电容和电感效应）。

霍尔电极引线的宽度与长度比不能小于0.1,否则影响输出。

壳体是川非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

霍尔元件在电路屮的电气符号可用图5・2（c）两种符号表示。

2测量电路

1）霍尔元件的基本测量电路

霍尔元件的基木测量电路如图523所示。

控制电流/由电源E提供，心是用来调节控制电流人小的。

是输出霍尔电势“厶的负载。

/?

厶通常放大器的输入电阻或测量仪农的内阻。

由于霍尔元件必须在磁场和控制电流的作用下，才会产生霍尔电势，所以可以把/•〃乘积、/、〃作为输入信号，霍尔元件的输出电势分別正比于或/、B。

2）霍尔元件的连接方式

为了获得较人的霍尔电势输出，除基木测量电路外，可采用几片霍尔元件叠加的连接方式，女U图524所示。

英中5.2.4（a）为直流供电情况，控制电流端并联，由叫和怡调节两个电位器元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，输出电势为单块崔尔元件的2倍。

图5.2.4（b）为交流供电情况，控制电流端串联,各元件输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号的叠加值输出。

如，选用灵敏度kH=5tnV/mA-kGs,控制电流为5mA的霍尔元件作为线性测量元件，若要测量lGs〜

lORGs的磁场，则霍尔元件的输出为

^wmin=5mV/mA-kGsx5mAx10-3kGs=25pV

U”z=5mV/mA-kGsx5mAx1OkGs=250mV

niiidx

所以要选择低噪声放大器作为前级放大器。

5.2.3霍尔元件的主要技术指标

1额定激励电流

对一定的元件，为使其温升不超过一定值，就需要对激励电流加以限制。

定义使霍尔元件温升10°C所施加的控制电流值，叫额定激励电流，通常用乙表示。

通过电流乙的载流体所产生的焦耳热为

|何崔尔元件的散热％主要是由没有电极的两个侧面承担（具它四侧面面积太小），即

W2=2lb^TA

其中AT是限定的温升（崔尔片和周围环境的温差），4是崔尔片的散热系数。

这个公式叫牛顿散热公式（为一半经验公式）。

当产生的焦耳热核散热相等时

W}=I^^-=2lb^TA=W2

bd〜

对求得额定电流得到

IH=b・j2d・、TA・\lp（5.2.15）

2输入电阻尺和输出电阻尺

输入电阻尺指控制电流极间的电阻值。

输出电阻尺是指霍尔电极间电阻值。

它们可在无磁场时用欧

姆表测最。

规定要在室温下测最。

3不等位电势及零位电阻*）

在额定的肓•流控制电流乙下，不加外磁场时，隼尔电极间的空载电势叫不等位电势，或叫零位电势,用“°表示。

产生不等位电势的主要原因有：

1霍尔电极安装位置不正确。

电极不对称或不在同一•等位而上。

2半导体材料不均匀。

造成电阻率不均匀或儿何尺寸不均匀。

3控制电极接触不均匀。

造成控制电流分布不均匀。

定义不等位电阻为

（5216）

它与不等位电势说明的是同一内容。

4寄生直流电势

当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，交流电流冇效值为乙，霍尔电极间的空载电势为直流和交流电势Z和，其中交流电势Ai前述的零位电势相对应，而直流电势是个寄生量，叫寄生直流电势Vo

产生寄生直流电势V的原因有：

1控制电极及霍尔电极的接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果所致；

2两个崔尔电极大小不对称，造成连个电极点的热容量不同，散热状态不同，于是形成极间温差电势,表现为直流寄生电势中的一部分。

温差电势在第八章会讲。

5热阻A。

霍尔电极开路时，在崔尔元件上输入1加W的电功率时，元件上产生的温升：

[2R

（5.2.16）

21hA

因为温升与电阻冇关，所以叫热阻。

5.2.4霍尔元件的补偿电路

1不等位电势的补偿

由于不等位电势与不等位电阻是一致的，因此可用分析电阻的方法來对其进行补偿。

图5.2.6不等位电势的补偿

如图526所示，其中人B为控制电极，为霍尔电极，在极间分布的电阻用心心心尺I來表示。

理想情况下，/?

=/?

2=/?

3=/?

4,即可取得零位电势为零。

实际上，若干存在零位电势，则说明这四个电阻不等。

将这四个电阻视为电桥的四个臂，当存在零位电势时，电桥不平衡，为了使电桥达到平衡状态，

可在电桥的阻值较大的臂上并联一个电阻，如图（a）所示，或在两个臂上同时并联电阻，如图（b）和（c）所示，显然图（c）调节比鮫方便。

2温度补偿

一般地，半导体的电阻率、迁移率和载流子浓度都是温度的函数。

因此，崔尔元件的性能参数，如灵敏度、输入电阻和输出电阻等都会随温度的变化而变化。

因此应对其进行温度补偿。

1）分流电阻法

使用于恒流源供给控制电流的情况。

其原理结构如图5.2.7所示。

假设初始温度为％,这时它的主要参数为：

％）隼尔元件的输入电阻，他温度补偿电阻，人。

被分流的电流，厶0控制电流，£片。

霍尔元件的灵敏度系数。

当温度由7；升为T时，上述参数分别变为R°TR,7（X）Z（）,/cot/，g（）T你。

且有如下关系

r=r（）（l+a-AT）

R=R（）（1+0Z）

匕二灯。

（1+》灯）

英中△T=T—T（）,0,0,5分别为输入电阻，分流电阻和灵敏度的温度系数。

根据电路行

R（）+%）

/+0"）

+/?

（）（l+/?

AT）+^（l+cr-AT）

温度补偿的冃的是，当温度改变时，崔尔电势不变，贝IJ

5产5

即kHQIc^=kHIcB,代入得

K）（1+0M）

&）（1+0M）+/;）（1+q・M）

整理可得

（5217）

a-f3-3

8-对于-•个确定的霍尔元件，具参数/；）、G、6是确定值，可rfl上式求得分流电阻他及要求的温度系数0。

为了能同时满足他和0两个参数的条件，此分流电阻可采用温度系数不同的两种电阻实行串、并联组合。

2）电桥补偿法

其原理结构如图5.2.8所示。

其工作原理如为：

霍尔元件的不等位电势用调节/?

“的方法进行补偿。

在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥。

此电桥的四个臂中冇一个是猛铜电阻并联的热敏电阻，以调整霍尔元件的温度系数，其它三个桥臂均为猛铜电阻。

因为补偿电桥对以给出一个随温度而该变的町调不平衡电压，该电压与温度呈非线性关系，只要细心地调整这个不平衡的非线性电压，就可以补偿崔尔元件的温度漂移。

5.2.5霍尔传感器的应用

霍尔传感器具冇灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性，已广泛应用于非电量测量、口动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。

例1霍尔式位移传感器。

图5.2.9霍尔式位移传感器

霍尔式位移传感器的结构如图5.2.9（a）所示，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置

一个霍尔元件，当控制电流/恒定不变时，霍尔电势t/丹与外磁感应强度成正比。

若磁场在一定范围内沿兀

方向的变化梯度dB/dx为一常数，如图529（b）所示，则当霍尔元件沿兀方向移动时，霍尔电势变化为

（5.2.19）

-其中k是霍尔位移传感器的输出灵敏度。

对式（5.2.18）积分得

U”=kx

由式（5.2.19）矢II,崔尔电势与位移量呈线性关系，口磁场梯度越大，灵嫩度越高；磁场梯度越均匀,输出线性度越好。

当兀=0,元件置于磁场屮心位置，UH=0o输出极性反映了元件位移方向，这种位移传感器可测量l〜2mm的微小位移。

例2汽车霍尔点火器。

汽车霍尔点火器结构如图5.2.10所示，霍尔元件固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上安装一个隔磁罩，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口，当缺口对准崔尔元件时，磁通通过雀尔器件而构成闭合回路，电路导通，如图5.2.10（a）所示，此吋霍尔电路输出低电平（W0.4V）。

当隔磁罩竖边凸出部分挡在崔尔元件和磁体Z间时，电路截上，如图5.2.10（b）所示，此时崔尔电路输出高电平。

霍尔电子点火器原理如图5.2.11所示,当霍尔传感器输出低电平时,BG|截止,BG2、BG3导通，点火线圈的初级有一怛定电流通过，当霍尔传感器输出高电平时，BG|导通，BG2、BGs截止，点火器的初级线圈电流截止，此时储存在点火线圈中的能量，由次级线圈以高压放电形式输出，即放电点火。

汽车霍尔电子点火器，由于它无触点、节汕，能适用于恶劣的工作环境和各种车速，冷起动性能好,冃前在国外己被广泛采用。

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