传感器与检测技术第二版陈洁黄鸿第九章霍尔传感器

1、5.15.1磁电感应式传感器磁电感应式传感器5.25.2霍尔式传感器霍尔式传感器5.35.3磁敏式传感器磁敏式传感器主要内容主要内容 磁电式传感器是通过磁电作用将磁电式传感器是通过磁电作用将被测量被测量（如：（如：振动、位移、转速）振动、位移、转速）转换成电信号转换成电信号的一种传感器。的一种传感器。常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。磁电常用的有磁电感应式传感器、霍尔式传感器。磁电感应式传感器是利用感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生导体和磁场发生相对运动产生感应电动势感应电动势；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中；霍尔式传感器是载流半导体在磁场中有电磁效应而输出电动势。是典型的有

2、电磁效应而输出电动势。是典型的有源传感器有源传感器。 磁电式传感器机械能机械能电电 量量磁敏传感器磁学量磁学量电信号电信号磁敏传感器是对磁场参量磁敏传感器是对磁场参量(B,(B,等等) )敏感的元器件或敏感的元器件或装置装置 , ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能，基于具有把磁学物理量转换为电信号的功能，基于磁电转换原理的传感器。主要有磁敏电阻、磁敏二极磁电转换原理的传感器。主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器随着半导体技术的发展，磁敏传感器正向薄膜化，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。微型化和集成化方向

3、发展。 霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体霍尔传感器就是基于霍尔效应，把一个导体（半导体薄片）（半导体薄片）两端通以控制电流两端通以控制电流I I，在薄片垂直，在薄片垂直方向方向施加磁感强度施加磁感强度B B的磁场的磁场，在薄片的另外两侧会，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流产生一个与控制电流I I和磁场强度和磁场强度B B的乘积成比例的乘积成比例的电动势的电动势 。 通电的导体（半导体）放在磁场中，电流通电的导体（半导体）放在磁场中，电流I I与与磁场磁场B B方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动方向垂直，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称势，这种现象称霍尔效应霍尔效应。 H

4、U 在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。在磁场中导体自由电子在磁场的作用下做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： LFe BHHUEb霍尔电场霍尔电场HHFeE霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力 当两作用力相等时电荷不再向两边积累，当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动达到动态平衡：态平衡：HLFFHeEe BIne bd 通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I I与载流子浓度与载流子浓度n n， 电子运动速度电子运动速度v v，薄片横截面积，薄片横截面积 b b* *d d 有关：有关： HUBb

5、霍尔电势：霍尔电势：HHUEbnevdIb霍尔电势：霍尔电势： 霍尔常数霍尔常数 与材料有关与材料有关 霍尔灵敏度霍尔灵敏度 与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关HHHI BI BUB bRKI Bn e dd1HRn e HHRKd讨论：霍尔电势与哪些因素有关讨论：霍尔电势与哪些因素有关？ 绝缘材料电阻率很大，绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小电子迁移率很小，不适用；，不适用； 金属材料电子浓度很高，金属材料电子浓度很高，RH很小，很小，UH很小。很小。 讨论：讨论： 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造霍尔元件 半导体

6、半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用采用N N型半导体（多电子）。型半导体（多电子）。 v由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 KH KH 越大，所以霍尔元越大，所以霍尔元件做的件做的较薄较薄，通常近似，通常近似1 1微米。微米。HHRKd 霍尔晶体外形矩形薄片霍尔晶体外形矩形薄片有四根引线有四根引线， 两端加激励两端为输出；两端加激励两端为输出； 电源电源E E，控制电流，控制电流I I； 负载负载RLRL，R R可调保证控制电流，可调保证控制电流， B B磁场与元件面垂直（向里）。磁场与元件

7、面垂直（向里）。 实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I I或或B B单独做输入。单独做输入。 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系成正比关系。1 1） 额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流 当霍尔元件自身温升当霍尔元件自身温升1010时所流过的激励电流称为额时所流过的激励电流称为额定激励电流。定激励电流。 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电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。流称为最大允许激励电流。 2 2） 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电

8、阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电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势对外电路来说相当于一个电压源, , 其电源内阻即为输出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电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在202055时确定的。时确定的。 3 3） 不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I I时时, , 若元件所处位置磁感应强若元件所处位置磁感应强度为零度为零, , 则它的霍尔电势应该为零则它的霍尔电势应该为零, , 但实际不为零。但实际不为零。 这时测这时

9、测得的空载霍尔电势称不等位电势。得的空载霍尔电势称不等位电势。 不等位电势也可用不等位不等位电势也可用不等位电阻表示电阻表示 HIUr00 4 4） 寄生直流电势寄生直流电势 在外加磁场为零在外加磁场为零, , 霍尔元件用交流激励时霍尔元件用交流激励时, , 霍尔电极输霍尔电极输出除了交流不等位电势外出除了交流不等位电势外, , 还有一直流电势还有一直流电势, , 称称寄生直流电寄生直流电势。势。 5 5） 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和激励电流下在一定磁感应强度和激励电流下, , 温度每变化温度每变化11时时, , 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。尔系数的温度系数。 当霍尔元件通以激励电流当霍尔元件通以激励电流I I时，若磁场时，若磁场B=0B=0，理论上霍尔电势，理论上霍尔电势U UH H=0,=0,但实际但实际U UH H不等于不等于0 0，这时测得的空载电势称，这时测得的空载电势称不等位电势不等位电势U U0 0。 产生的原因：产生的原因：霍尔引出电极安装不对称霍尔引出电极安装不对称半导体材料不均匀半导体材料不均匀霍尔传感器位移测量原理霍尔传感器位移测量原理 n 2. 霍尔式转速传感器霍尔式转速传