《传感器技术与应用》课件-6.2霍尔式传感器

传感器技术与应用6.2霍尔式传感器霍尔式传感器随着半导体技术的发展，磁敏元件得到应用和发展，广泛用于自动控制、信息传递、电磁场、生物医学等方面的电磁、压力、加速度、振动测量。随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，微型化和集成化方向发展。霍尔传感器是一种磁敏元件，主要用于磁场检测①利用电磁感应作用的传感器（强磁场测量）

如：磁头、机电设备、测转速、磁性标定；②利用磁敏电阻、二极管、霍尔元件测量磁场；③利用超导效应传感器，SQVID约瑟夫元件；④利用核磁共振的传感器，有光激型、质子型。⑤利用磁作用传感器，磁针、表头、继电器。磁场强度与磁场源的分布霍尔式传感器测磁的方法：而与人们相关的磁场范围很宽；一般的磁敏传感器检测的最低磁场只能测到10-6高斯。名称工作原理工作范围主要用途霍尔效应器件霍尔效应10-7～10T磁场测量，位置速度传感器，电流、电压传感半导体磁敏电阻磁阻效应10-3～1T旋转和角度测量磁敏二极管电流的磁场调制10-6～10T位置、速度、电流、电压传感磁敏晶体管集电极（或漏极）电流的磁场调制10-6～10T位置、速度、电流、电压传感载流子畴器件载流子畴磁场调制10-6～1T磁强计金属膜磁敏电阻器磁敏电阻的各向异性10-3～10-2T磁读头、旋转编码器巨磁电阻器磁耦合多层膜或自旋阀10-3～10-2T高密度磁读头非金属磁传感器磁率10-9～10-3T磁读头、旋转编码器巨磁阻抗传感器巨磁阻抗或巨磁感应10-10～10-4T旋转、位置，大电流传感磁性温度传感器居里点变化-50～250℃热磁开关，温度检测磁致伸缩传感器磁致伸缩效应各种力学量测量主要磁敏元件及磁场强度分布名称工作原理工作范围主要用途磁电感应传感器法拉第电磁感应效应10-3～100T磁场测量及位置速度传感磁通门磁强计材料的B-H饱和特性10-11～10-2T磁场测量核磁共振磁强计核磁共振10-12～10-2T磁场精度测量磁光传感器法拉第或磁致伸缩效应10-10～102T磁场及电流、电压测量超导量子干涉器件约瑟夫逊效应0-14～10-8T生物磁场测量主要磁敏元件及磁场强度分布磁敏传感器磁学量电信号霍尔式传感器霍尔传感器属于半导体磁敏元件，磁敏元件也是基于磁电转换原理，是把磁学物理量转换成电信号的传感器。特点：结构简单、体积小、动态特性好、寿命长。霍尔传感器测转速霍尔开关霍尔开关元件用于手机开关霍尔式传感器6.2.1霍尔效应1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。霍尔传感器基于霍尔效应磁场强度B的方向改变时霍尔电动势的电压极性也随之改变。6.2.1霍尔效应把一个导体（半导体薄片）两端通以电流，在垂直方向施加磁感强度B的磁场，在导体薄片的另外两侧会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的电动势UH，这种现象称霍尔效应。霍尔电动势与磁场强度B、电流强度I有关

推导计算后：

与薄片尺寸有关

霍尔灵敏度：与材料有关

霍尔常数：式中：ρ—电阻率、n—电子浓度、μ—电子迁移率

μ=υ/E单位电场强度作用下载流子运动速度。可见霍尔电势与电流和磁场强度的乘积成正比磁场下导体中的电子运动时，因霍尔电势产生霍尔电场，6.2.1霍尔效应任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件;金属材料因电子浓度n很高，RH

很小，灵敏度低，UH

很小;绝缘材料电阻率ρ很大，但电子迁移率μ很小，不适用；半导体材料电阻率ρ较大，电子迁移率μ适中，非常适于做霍尔元件；半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N

型半导体（多电子）;由霍尔灵敏度可见：厚度d越小霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件通常做的较薄，近似1微米(d≈1μm)，工作电压很低。

讨论6.2.1霍尔效应霍尔元件外形和符号6.2.2霍尔传感器基本电路霍尔晶体的外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励，两端为输出，RL为负载电阻；电源E通过Rp

控制激励电流I；B磁场与元件面垂直（向里）实测中可把I×B作输入，也可把I或B单独做输入；通过霍尔电势输出测量结果。输出UH与I或B成正比关系，或与I×B成正比关系。6.2.2霍尔传感器基本电路当霍尔元件通以激励电流I时，若磁场B=0，理论上霍尔电势UH=0，但实际UH≠0，这时测得的空载电势称不等位电势U0

。产生的原因：

(1)不等位电势6.2.3霍尔传感器的误差及补偿霍尔引出电极安装不对称，不在同一等位面上，或激励电极接触不良。半导体材料不均匀，几何尺寸不均匀，造成电阻率不均匀。

不等位电势的补偿不等位电压相当于桥路初始有不平衡输出，U0≠0，可在电阻大的桥臂上并联电阻。分析不等位电势时可把霍尔元件等效为一个电桥;不等位电势可表示为U0=r0IH,r0为不等位电阻;6.2.3霍尔传感器的误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度变化时，载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ，霍尔系数RH都会变化。(2)温度误差及补偿

灵敏度与温度系数关系恒流源补偿：由

UH=KHIB

可见，恒流源I供电可使UH稳定，但灵敏度系数KH=RH/d=ρμ/d也是温度的