第6章-霍尔式传感器

1、 如图如图1所示的一块半导体薄片，其长度为所示的一块半导体薄片，其长度为L，宽度，宽度为为b，厚度为，厚度为d，当它被置于磁感应强度为，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流与控制电流I和磁感应强度和磁感应强度B乘积成正比的电势乘积成正比的电势 ，即即 ，其中，其中 为霍尔元件的灵敏度。这为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为一现象称为霍尔效应霍尔效应，该电势，该电势 称为霍尔电势，半称为霍尔电势，半导体

2、薄片就是霍尔元件。导体薄片就是霍尔元件。HUHHUK IBHKHU 霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的。作用而产生的。 图图1 设霍尔元件为设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流型半导体，当它通以电流I时，半时，半导体中的自由电荷即载流子导体中的自由电荷即载流子(电子）受到磁场中洛仑兹电子）受到磁场中洛仑兹力力 的作用，其大小为的作用，其大小为式中：式中： 为电子速度，为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。使电子向垂直于感应强度。使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏和自由电子运动方向偏移，其方向符合

3、移，其方向符合右手螺旋定律或左手定则右手螺旋定律或左手定则，即电子有，即电子有向某一端积聚的现象，使半导体一端面产生负电荷积向某一端积聚的现象，使半导体一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，即为霍尔电场该静电场对电子的作用力静电场，即为霍尔电场该静电场对电子的作用力 与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为：为：LFLFevB vEFHEHUFeEeb 静电场作用于运动电子上的静电场作用于运动电子上的 与洛仑兹力与洛仑兹力 相等相等时，电子积累达到动态平衡，即时

4、，电子积累达到动态平衡，即EFLFHUevBebHUbvB 所以：所以：流过霍尔元件的电流流过霍尔元件的电流I为：为：()()dQbdvdtneIbdvnedtdt()Ivbdne所以：所以：代入代入 中得：中得：HUbvBHIBUdne n为单位体积内自由电子数为单位体积内自由电子数(载流子浓度载流子浓度) 若霍尔元件为若霍尔元件为P型半导体、则：型半导体、则：HIBUPdeP为单位体积内空穴数为单位体积内空穴数(载流子浓度载流子浓度)。1HRne 在上式中令：在上式中令： 或或 1HRpe则式则式 和式和式 变为：变为：HIBUdne HIBUPdeHHIBURd 则则 被定义为被定义为霍

5、尔传感器的霍尔系数霍尔传感器的霍尔系数。很明显，。很明显，霍尔系数由半导体材料性质决定。它决定霍尔电势的强霍尔系数由半导体材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。设：弱。设： 则有：则有： 霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度就是指在单位磁感应强度B和单位和单位控制电流控制电流I作用时，所能输出的霍尔电势的大小。作用时，所能输出的霍尔电势的大小。HRHHRKdHHUK IB由于材料电阻率由于材料电阻率 与超流子浓度与超流子浓度 和其迁移率和其迁移率 有关，即有关，即 则：则：1n enHRHR则有则有 由此可见，要想霍尔电势强，半导由此可见，要想霍尔电势强，半导体材料的电阻率必须

6、要高，且迁移率也要大。虽然，体材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然，金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体电阻率很高，但其载流于迁移率低。因此，只缘体电阻率很高，但其载流于迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳霍尔传感器的材料。表有半导体材料为最佳霍尔传感器的材料。表91列列出了一些霍尔元件材料特性。霍尔电势除了与材料出了一些霍尔元件材料特性。霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的载流子迁移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有关。的几何尺寸有关。 一般要求霍尔元件灵敏度越大越好霍尔元件的一般要求霍尔元件

7、灵敏度越大越好霍尔元件的厚度厚度d与与 成反比因此，霍尔元件的厚度越小其灵成反比因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高。当霍尔元件的宽度敏度越高。当霍尔元件的宽度b加大，或加大，或 减小时，减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大、载流子在偏转过程中的损失将加大、 下降。通常下降。通常要对式要对式 加以形状效应修正：加以形状效应修正：HK/L bHUHHIBURd( )HHIBLURfdb形状效应系数，其修正值如表形状效应系数，其修正值如表:图图2图图3图图4Sensor新型传感器不断用于汽车、新型传感器不断用于汽车、 机器人等行业机器人等行业 人们过去的常识是人们过去的常识是“汽车并不使用最尖端

8、技术汽车并不使用最尖端技术”。要对生命负责的汽车厂商，采用实用化技术的原则今要对生命负责的汽车厂商，采用实用化技术的原则今后恐怕也不会改变。但是为了安全而必须使用最尖端后恐怕也不会改变。但是为了安全而必须使用最尖端技术的话，那么强烈希望采用最尖端技术的趋势必将技术的话，那么强烈希望采用最尖端技术的趋势必将越来越强。丰田汽车已经制定了在越来越强。丰田汽车已经制定了在2020年把日本国内年把日本国内汽车事故减少一半的目标，并将为此采取逐步把汽车事故减少一半的目标，并将为此采取逐步把汽车汽车设计成设计成“电子茧电子茧”的方针。也就是说，利用数百个传的方针。也就是说，利用数百个传感器把车辆包围起来，根

9、据来自这些传感器的信息，感器把车辆包围起来，根据来自这些传感器的信息，利用激励器对利用激励器对刹车和方向盘刹车和方向盘进行电控。进行电控。这里所必需的包括：各种传感器、可快速处理来自传这里所必需的包括：各种传感器、可快速处理来自传感器的大量信息的处理器、驱动激励器的高耐压感器的大量信息的处理器、驱动激励器的高耐压（LSI），以及能够将），以及能够将LSI的可靠性提高到与飞机相媲的可靠性提高到与飞机相媲美的技术。所有这些元件均为尖端技术的结晶。美的技术。所有这些元件均为尖端技术的结晶。 在机器人的发展过程中，车载元件技术起着关键在机器人的发展过程中，车载元件技术起着关键作用。因为机器人所需的关键

10、技术包含于车载元件中。作用。因为机器人所需的关键技术包含于车载元件中。对于两者来说，传感器、激励器和信号处理等都至关对于两者来说，传感器、激励器和信号处理等都至关重要。机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备重要。机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备传感器，并快速判断所接收到的信息。比如躲避运动传感器，并快速判断所接收到的信息。比如躲避运动的障碍物行走的动作，必须识别障碍物、预测其动作，的障碍物行走的动作，必须识别障碍物、预测其动作，并在不破坏平衡的条件下控制双足等。并在不破坏平衡的条件下控制双足等。 霍尔元件在环境温度霍尔元件在环境温度T25c时，允许通过霍尔元时，允许通过霍尔元件的电流

11、件的电流I和电压和电压E的乘积，分最小、典型、最大三档，的乘积，分最小、典型、最大三档，单位为单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流定功耗可以知道额定控制电流I，因此有些产品则提，因此有些产品则提供额定控制电流供额定控制电流I，不给出额定功耗，不给出额定功耗P0。 是指控制电流极之间的电阻值，是指控制电流极之间的电阻值， 指霍尔元指霍尔元件电极间的电阻，单位为欧姆件电极间的电阻，单位为欧姆。 和和可在无磁场可在无磁场即即B=0时，用欧姆表等测量。时，用欧姆表等测量。 在额定控制电流在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间

12、之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡的空载霍尔电势称为不平衡(不等不等)电势，单位为电势，单位为mv。不平衡电势和额定控制电流不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻之比为不平衡电阻ro。有。有些产品也提供不平衡电阻参数值。些产品也提供不平衡电阻参数值。4 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1时，时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数.霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输入电阻与输出电阻变化的百分率称为内阻温度时，输入电阻

13、与输出电阻变化的百分率称为内阻温度系数，一般取不同温度时的平均值。系数，一般取不同温度时的平均值。 其定义同前述，有时某些产品给出无负载时灵敏度，其定义同前述，有时某些产品给出无负载时灵敏度，在某一控制电流和一定强度磁场中，输出极开路时元件在某一控制电流和一定强度磁场中，输出极开路时元件的灵敏度。的灵敏度。 表表93列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓(GaAs)霍尔元件的主要技术参数。霍尔元件的主要技术参数。HK砷化镓霍尔元件的主要技术参数砷化镓霍尔元件的主要技术参数BEWR LHU 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图如图4所示所示,控制

14、电流控制电流I由电源由电源E供给、电位器供给、电位器W调节控制电调节控制电流流I的大小。霍尔元件输出接的大小。霍尔元件输出接负载电阻负载电阻RL RL可以是放可以是放大器的输入电阻或测量仪表大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势，所以在才会产生霍尔电势，所以在测量中可以把测量中可以把I和和B的乘积、的乘积、或者或者I，或者，或者B作为输人信号，作为输人信号，则霍尔元件的输出电势分别则霍尔元件的输出电势分别正比于正比于I或或B。图图4基本测量电路基本测量电路 除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获

15、得除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式、较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式、如图如图5(a)所示。所示。 图图5（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由为直流供电情况。控制电流端并联，由w1、w2调节两个元件的输出霍尔电势，调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，为输出端，则它的输出电势为单块的两倍。则它的输出电势为单块的两倍。 图图 5(b)为交流供电情况。控制电流端串联，各元件为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值

16、输出。有霍尔电势信号叠加值输出。图图5霍尔元件输出叠加连接方式霍尔元件输出叠加连接方式 霍尔器件是一种四端器件本身不带放大器。霍霍尔器件是一种四端器件本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用中必须加差分尔电势一般在毫伏量级，在实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。种使用方式。 因此，输出电路如图因此，输出电路如图6所示两种结构。下面以我国所示两种结构。下面以我国科学院半导体研究所生产的科学院半导体研究所生产的GaAs霍尔元件为例，给霍尔元件为例，给出两种参考电路，分别如图出两种参考电路，分别如图6(a)

17、和和(b)所示。所示。图图6 霍尔元件的输出电路霍尔元件的输出电路 当霍尔元件作线性测量时最好选用灵敏度低一点、当霍尔元件作线性测量时最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。 例如，选用例如，选用 ，控制电流为，控制电流为5mA的霍的霍尔元件作线性测量元件，若要测量尔元件作线性测量元件，若要测量1Gs一一10kGs的磁场，的磁场，则霍尔器件最低输出电势则霍尔器件最低输出电势 为：为：故要选择低噪音的放大器作为前级放大。故要选择低噪音的放大器作为前级放大。5/.HKmV mAkGsminHU3min5/.51025HHUK I

18、BmV mAkGsmAkGsV 高精度高速运放高精度高速运放OP-17,OP-17, 超低噪声超低噪声、高精度、高精度OP-27(OP-37OP-27(OP-37) )运放专题：运放专题：OP-17OP-17 速度与速度与 CF357 CF357 相当相当, , U UIOSIOS I IIOSIOS 和和UUIOSIOS 大约大约 只有只有CF357CF357的十分之一的十分之一; ;封装、引线排列和应用线路与封装、引线排列和应用线路与CF357CF357的完全相同的完全相同; ;工作温度范围为工作温度范围为10 10 7070。 OP-27OP-27 U UIOS IOS ,U,UIOSI

19、OS 与与OP-07OP-07相近相近; ;I IIOSIOS 和和 I IIOSIOS 比比 OP-07OP-07的大的大; ;OP-27OP-27 噪声电压特别小噪声电压特别小, ,小于小于OP-07OP-07的十分之一的十分之一; ;当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。器件。例如例如 ，如果采用，如果采用2x 3x 5(mm)的衫磁钢的器件，控制电流为的衫磁钢的器件，控制电流为2mA，施加一个距离施加一个距离器件为器件为5mm的的300G s的磁场，则输出霍尔电势为的磁场，则输出霍尔电势为 这时选用一般的放大器即可满足。这时选用一

20、般的放大器即可满足。n输入失调电压输入失调电压U UIOSIOS 和输入失调电流和输入失调电流I IIOSIOS 很小；很小；n输入失调电压温漂输入失调电压温漂UUIOSIOS 和输入失调电流温漂和输入失调电流温漂IIIOSIOS 很小；很小； 精度比较高；价格不高精度比较高；价格不高, ,很受欢迎。很受欢迎。20/.HKmV mAkGs3max20/.2300 1012HHUK IBmV mAkGsmAkGsmV : 一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺的缺陷的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。其表现为零位误差和温度引起的误差。0U123

21、4RRRR00U 00U Sensor据悉，美国宾夕法尼亚州立大学研发出一种具有自我据悉，美国宾夕法尼亚州立大学研发出一种具有自我清洁功能的新型传感器清洁功能的新型传感器二氧化钛纳米管氢二氧化钛纳米管氢传感器。传感器。 研究表明，尽管二氧化钛纳米管氢传感器属气敏研究表明，尽管二氧化钛纳米管氢传感器属气敏传感器，但却有着光敏性较其他形式的二氧化钛材料传感器，但却有着光敏性较其他形式的二氧化钛材料高高100100倍的特性。只要将其暴露在紫外线下，吸附在倍的特性。只要将其暴露在紫外线下，吸附在二氧化钛纳米管氢传感器上的污染物质就能轻而易举二氧化钛纳米管氢传感器上的污染物质就能轻而易举地被有效清除掉。因此，在实际使用中，这种传感器地被有效清除掉。因此，在实际使用中，这种传感器能够靠自己的能耐使自己清洁如故、性能如初，并保能够靠自己的能耐使自己清洁如故、性能如初，并保持原有的探测灵敏度。持原有的探测灵敏度。 氢传感器广泛应用于化工、石油和半导体工业，氢传感器广泛应用于化工、石油和半导体工业，也常被用作诊断工具，用来监测某些种类的细菌感染。也常被用作诊断工具，用来监测某些种类的细菌感染。在日常生活中，氢传感器同