《hall传感器》课件

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1、三、霍尔式传感器Hallsensor霍尔式传感器是利用霍尔效应原理将被测量如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。优点:结构简单，体积小，坚固；频响范围宽（从直流到微波），动态范围大；使用寿命长,可靠性高；易微型化和集成电路化。缺点：转换效率较低；受温度影响大。1.工作原理——霍尔效应霍尔效应Halleffect——金属或半导体薄片置于磁感应强度为的磁场中，当有电流通过时，在垂直于电磁场的方向上将产生电动势，这一物理现象称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电势。霍尔效应在高纯度半导体中表现很

2、显著，以半导体材料制成的霍尔式传感器已广泛用于很多领域中。半导体霍尔：1879年半导体霍尔效应原理图电流密度，其中n为N型半导体中的电子浓度,负号表示电子运动速度方向与电流方向相反。所以通过半导体的电流的大小为：电子运动的速度为：——霍尔系数——灵敏度系数与半导体材料的物理性质和几何尺寸有关。物理意义：表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔元件输出的霍尔电势的大小。一般电子的迁移率大于空穴迁移率，故N型半导体的霍尔系数大于P型半导体的霍尔系数，因此霍尔元件多用N型半导体材料。由于与元件厚度d成反比，d越

3、小，越大，因此一般霍尔元件都很薄。若霍尔元件为P型半导体，载流子为空穴，（其浓度为P）则霍尔电势为：当载流材料和几何尺寸确定后，的大小正比于控制电流和磁感应强度，即：因此可用于测量磁场（I恒定），检测电流（B恒定），还可制成各种运算器（I、B均作为变量，可作乘法器、功率计等）。当霍尔元件在一个线性梯度磁场中移动时，将反映磁场的变化，由此可用于检测微小位移、压力和机械振动等。2.霍尔元件（材料、结构）基于霍尔效应工作的半导体器件称霍尔元件。其外形、结构如图示。霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成

4、。abcd长度方向的两端面上焊有两根引线（图中a,b）作为控制电流端引线，焊接处称控制电极（激励电极）,要求接触电阻要小并呈纯电阻。另两侧端面的中间以点的形式对称焊有两根霍尔电势输出端引线，焊接处称霍尔电极，要求欧姆接触，电极的宽度与霍尔片的长度之比要小于0.1，电极位于1/2处,此时霍尔电势为最大值。霍尔元件的壳体用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件外形、结构和符号霍尔元件最常用的材料有：锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等锑化铟材料霍尔系数大，但对温度最敏感，受温度影

5、响较大；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；砷化铟霍尔系数较小，受温度的影响比锑化铟要小（温度系数较小）且线性度较好。时多采用锑化铟材料。输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射工艺制作的锑化铟霍尔元件3.霍尔元件的电磁特性（1）指控制电流与霍尔电势之间的关系。当磁场恒定，在一定环境温度下，控制电流与霍尔电势之间呈线性关系。⑵指霍尔电势与磁场强度之间的关系。控制电流一定时，霍尔元件的开路霍尔输出随磁感应强度增加而增大，但不完全呈线性关系，只有当时，才呈现较好的线性见图示。指

6、霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场B之间的关系。⑶实验结果显示，霍尔元件的内阻随磁场绝对值的增加而增加，此现象称为磁阻效应。磁阻效应——指霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象。磁阻效应产生的本质源于材料中载流子运动速度具有一定的统计分布。以速度v2运动的电子，当时，电子沿直线运动；速度为v1﹤v2的电子，，电子向fE方向偏转；速度为v3﹥v2的电子，，电子向FL方向偏转，由此造成控制电流方向电流密度减小，即由于磁场的存在增加了元件的内阻。磁阻效应产生机理利用磁阻效应制作的元件——磁阻元件,可用来测

7、量磁感应强度等许多非电量。磁阻效应的大小除与材料中载流子的迁移率有关（迁移率愈大，磁阻效应愈显著）外，还与元件的几何形状有密切关系，如长宽比愈小，磁阻效应愈大。作为霍尔式传感器，其磁阻效应的存在会使霍尔输出降低，特别在强磁场时，输出降低较多，必要时需采用一定的方法予以补偿。4.霍尔元件的误差及其补偿霍尔元件主要误差及补偿方法包括两个方面：（1）霍尔元件的零位误差及其补偿①不等位电势及其补偿当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时，其霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势称为不等位电势。产生原因：◆制造工艺不可

8、能保证两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上；◆霍尔片电阻率及厚薄不均匀；◆控制电极接触不良。产生不等位电势示意图补偿方法：■工艺上采取措施，尽量使霍尔电极对称■采用补偿电路霍尔元件等效电路为一个四臂电桥，因此可在某一桥臂并上一定电阻将其降到最小，甚至为零。图为几种不等位电势的补偿电路，其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好。霍尔元件符号及等效电路X不等位电势的补偿（a)不对称补偿（b）对