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霍尔传感器论文

摘要

传感器被称为工业时代的测量工具---仪器仪表的“五官”，承担着信息感知和获取的关键任务，是当今信息时代的信息源头，在国民经济和国防各个领域中发挥着不可替代的作用。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

霍尔效应是磁电效应的一种，通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

本文主要是研究霍尔传感器的原理、结构及现代应用，如：

测量位移、无触点开关、霍尔齿轮传感器。

本论文在写作中参考了不少的文献，包括参考书籍、参考论文、参考期刊、参考网页，均列在本论文的后面。

目录

第一章绪论1

1.1传感器1

第二章霍尔传感器及部分元件2

2.1霍尔效应及霍尔元件2

2.1.1霍尔效应2

2.1.2霍尔元件基本结构6

2.1.4霍尔元件不等位电势补偿8

2.1.5霍尔元件温度补偿10

2.1.6霍尔传感器及应用12

参考文献14

第一章绪论

信息技术已经成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理，已经成为各个应用领域，特别是自动检测、自动控制系统中不可缺少的核心部件。

传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。

1.1传感器

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

第二章霍尔传感器及部分元件

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。

1879年美国物理学元件家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。

随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。

霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。

2.1霍尔效应及霍尔元件

2.1.1霍尔效应

置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。

该电势称霍尔电势。

霍尔效应原理图如图2.1所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板,导电板通以电流I,方向如图所示。

导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。

此时,每个电子受洛仑磁力fm的作用，大小为

=eBv（2-1）

式中:

e——电子电荷;

v——电子运动平均速度;

B——磁场的磁感应强度。

图2.1霍尔效应原理图

的方向在图3-1中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在fm的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场Eh,称霍尔电场,该电场强度为

（2-2）

式中为电位差。

霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为，此力阻止电荷继续积累。

随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即

=（2-3）

则

=（2-4）

此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。

若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=,则

（2-5）

将式（2-5）代入式（2-4）得

（2-6）

将上式代入式（2-2）得

（2-7）

式中令RH=1/（ne）,称之为霍尔常数,其大小取决于导体载流子密度，则

（2-8）

式中称为霍尔片的灵敏度。

由式（2-7）可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。

为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。

对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数RH,霍尔元件激励极间电阻R=ρL/（bd）,同时R=UI/I=EIL/I=vL/（μnevbd）,其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。

则

（2-9）

解得

（2-10）

从式（2-9）可知,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。

若要霍尔效应强,则RH值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。

一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低。

故只有半导体材料适于制造霍尔片。

目前常用的霍尔元件材料有:

锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。

其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。

N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。

锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,

但在室温时其霍尔系数较大。

砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。

常用国产霍尔元件的技术参数如图表2.1所示。

表2.1常用国产霍尔元件的技术参数

2.1.2霍尔元件基本结构

霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图7-9（a）所示。

霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。

1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。

霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。

在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图2.2所示。

图2.2霍尔元件

（a）外形结构示意图（b）图形符号

霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成连续测量。

其输出电压和加在霍尔元件

上的磁感强度B成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。

2.1.3霍尔元件基本特性

1）额定激励电流和最大允许激励电流

当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。

因霍尔电势随激励电流增加而性增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。

2）输入电阻和输出电阻

激励电极间的电阻值称为输入电阻。

霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。

以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。

3）不等位电势和不等位电阻

当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。

这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。

图2.3为不等位电势示意图，产生这一现象的原因有:

①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;

②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;

③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。

不等位电势也可用不等位电阻表示

（2–10）

式中:

——不等位电势;

——不等位电阻;

——激励电流。

由上式（2-10）可以看出,不等位电势就是激励电流流经不等位电阻所产生的电压。

图2.3不等位电势示意图

4）寄生直流电势

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势外,还有一直流电势,称寄生直流电势。

其产生的原因有:

①激励电极与霍尔电极接触不良,形成非欧姆接触,造成整流效果;

②两个霍尔电极大小不对称,则两个电极点的热容不同,散热状态不同形成极向温差电势。

寄生直流电势一般在1mV以下,它是影响霍尔片温漂的原因之一。

5）霍尔电势温度系数

在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。

它同时也是霍尔系数的温度系数。

2.1.4霍尔元件不等位电势补偿

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实

用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。

分析不等位电势时，可以把霍尔元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。

图2.4为霍尔元件的等效电路，其中A、B为霍尔电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。

理想情况下，电极A、B处于同一等位面上，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，不等位电势U0为0。

实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。

此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。

几种补偿线路如图3-5所示。

图（a）、（b）为常见的补偿电路，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用于交流供电的情况。

图2.5为不同原件的霍尔元件。

图2.4霍尔元件的等效电路

图2.5不同元件的霍尔元件及补偿

2.1.5霍尔元件温度补偿

霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。

当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。

为了减小霍尔元件的温度误差,除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外,由UH=KHIR可看出：

采用恒流源供电是个有效措施,可以使霍尔电势稳定。

但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。

霍尔元件的灵敏系数KH也是温度的函数,它随温度的变化引起霍尔电势的变化。

霍尔元件的灵敏度系数与温度的关系可写成

KH=KH0（1+αΔT）（2-11）

式中:

KH0——温度T0时的KH值;

ΔT=T-T0——温度变化量;

α——霍尔电势温度系数。

并且大多数霍尔元件的温度系数α是正值,它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+αΔT）倍。

如果,与此同时让激励电流I相应地减小,并能保持KHI乘积不变,也就抵消了灵敏系数KH增加的影响。

图3–6就是按此思路设计的一个既简单、补偿效果又较好的补偿电路。

电路中用一个分流电阻Rp与霍尔元件的激励电极相并联。

当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时,旁路分流电阻Rp自动地加强分流,减少了霍尔元件的激励电流I,从而达到补偿的目的。

图2.6为恒流温度补偿电路。

图2–6恒流温度补偿电路

在图3-3所示的温度补偿电路中,设初始温度为T0,霍尔元件输入电阻为Ri0,灵敏系数为KH1,分流电阻为Rp0,根据分流概念得

（2-12）

当温度升至T时,电路中各参数变为

Ri=Ri0（1+δΔT）（2-13）

Rp=Rp0（1+βΔT）（2