课霍尔传感器

前次课程简要回顾1、压电效应和逆压电效应；2、等效电路；3、完整等效电路；4、测量电路；2

1、压电效应和逆压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。有一些人造的材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。_y逆压电效应压电效应2023/7/73

可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。2、等效电路电荷等效电路电压等效电路2023/7/753、完整等效电路

压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。压电传感器的实际等效电路2023/7/764、测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。q

霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。第一节霍尔传感器

半导体磁传感器的优势在于，它们的制造技术和微电子集成电路技术兼容，可以量产，大幅降低了生产成本；输出信号可供计算机和各种仪器设备直接使用，非常方便；抗蚀性强，磁场对器件的作用不受使用环境中的光线、尘埃、油污、盐雾及其它化学气氛的影响；结构牢固、耐震动、耐冲击和寿命长。一、工作原理、材料及结构特点

1、工作原理

霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。所谓霍尔效应是指置于磁场中的导体或半导体中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差。RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，KH为霍尔灵敏度磁感应强度B为零时的情况磁感应强度B较大时的情况霍尔效应演示

当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab半导体材料的长、宽、厚分别为L、l和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面C和D上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中便形成一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用FL表示，大小为：FL=evB)式中，e为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。CDxzyAB在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A,B两端面因电荷积累而建立了一个电场ＥH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有

eEH=evB霍尔电场的强度为EH=vB

在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示

UH=EHl=vBl所以，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征／所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/L当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式:

I=neldv即式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱；KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d。霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸2、材料及结构特点

(1)霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。载流体的电阻率ρ与霍尔系数RH和载流子迁移率μ之间的关系材料的ρ、μ大，RH就大.金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。(2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关d愈小，KH

愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。元件的长度比L/l对UH也有影响。前面的公式推导，都是以半导体内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况只有在L/l很大时，即控制电极对霍尔电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响L/l要大一些，一般L/l=2。但如果L/l过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。由公式1、2—控制电流引线端；3、4—霍尔电势输出端(3)基本结构线性区二、电磁特性1、UH-B特性：不完全非线性2、UH-I特性：线性关系由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。

三、误差分析及误差补偿方法1、温度误差及补偿

霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。

内阻与温度关系曲线

输出电势与温度关系曲线

可以看出：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。除了锑化铟的内阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值，其次是砷化铟，它是值在左右温度下由正变负；再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍尔电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的15%。1）、利用输入回路的串联电阻进行补偿图中的四端元件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路。根据温度特性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：RHt=RH0(1+αt)Rit=Ri0(1+βt)式中，RHt为温度为ｔ时霍尔系数；RH0为0℃时的霍尔系数；Rit为温度为ｔ时的输入电阻；Ri0为0℃时的输入电阻；α为霍尔电压的温度系数,

β为输入电阻的温度系数。当温度变化Δt时，其增量为:ΔRH=RH0αΔtΔRi=Ri0βΔt根据式中UH=RHIB/d及I=E/(R+Ri)，可得出霍尔电压随温度变化的关系式为对上式求温度的导数，可得增量表达式

要使温度变化时霍尔电压不变，必须使即将元件的α、β值代入上式，根据Ri0的值就可确定串联电阻R的值。(2)利用输出回路的负载进行补偿，霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。这样，可以不考虑输入回路的温度影响。输出回路的输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为UHt=UH0(1+αt)Rvt=Rv0(1+βt)

式中，UHt为温度为t时的霍尔电压；UH0为0时的霍尔电压；Rvt为温度为t时的输出电阻；Rv0为０时的输出电阻。负载RL上的电压UL为

UL=[UH0(1+αt)]RL/[Rv0(1+βt)+RL]为使UL不随温度变化，可对上式求导数并使其等于零，可得

RL/Rv0≈β/α-1≈β/α

最后，将实际使用的霍尔元件的α、β值代入，便可得出温度补偿时的RL值。2、零位特性及补偿在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性称为零位特性，由此而产生的误差称为零位误差。主要表现在以下几个方面（1）.不等位电压在无磁场的情况下，霍尔元件通以一定的控制电流I，两输出端产生的电压称为不等腰三角形位电压，用U0表示。U0与I的比值称为不等位电阻，用R0表示，即

R0=U0/I

不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。（2）.寄生直流电压在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压。产生寄生直流电压的原因：1)由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。2)输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍尔元件，当交流控制电流为20mA时，输出极的寄生直流电压小于100μV。制做和封装霍尔元件时，发送电极欧姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电压的有效措施。所谓欧姆接触，是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在于活动区(Activeregion)而不在接触面。

欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：

（1）金属与半导体间有低的界面能障(BarrierHeight)

（2）半导体有高浓度的杂质掺入(N≥10EXP12cm-3)（3）.感应电动势在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势称为感应电动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比。

(4).自激场零电压在无外加磁场的情况下，由控制电流所建立的磁场在一定条件下使霍尔元件产生的输出电压称为自激场零电压。感应电动势和自激场零电压都可以用改变霍尔元件输出和输入引线的布置方法加以改善四、霍尔集成电路霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。线性型霍尔特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔器件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。

开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。四、霍尔传感器的应用1、霍尔转速表霍尔轮速传感器是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，如下图所示。当齿轮位于图中(a)所示位置时