第一节 霍尔传感器

1、第八章第八章 常用半导体传感器常用半导体传感器 用半导体敏感元件构成半导体传感器，近几年发展较快，用半导体敏感元件构成半导体传感器，近几年发展较快，在国防和国民经济各个部门以及人们的日常生活中得到越来在国防和国民经济各个部门以及人们的日常生活中得到越来越广泛的应用。越广泛的应用。 半导休敏感元件种类繁多。能够把力、热、光、磁、气、半导休敏感元件种类繁多。能够把力、热、光、磁、气、湿度、射线、离子等一些物理量、化学量和生物量转换成电湿度、射线、离子等一些物理量、化学量和生物量转换成电量信息，此外，还只有体积小，重量轻，量信息，此外，还只有体积小，重量轻， 精度高，成本便精度高，成本便于集成化、多

2、功能化，易于微机接口等优点，因此，被广泛于集成化、多功能化，易于微机接口等优点，因此，被广泛 用于过程自动监视、灾害自动报警、自动测量、自动计量、用于过程自动监视、灾害自动报警、自动测量、自动计量、自动控制等各个领域自动控制等各个领域 中。中。 半导体传感器也不是完美无缺的，它的普遍缺点是特性的半导体传感器也不是完美无缺的，它的普遍缺点是特性的分散性、温度不稳定性和易受干扰性，因此，在某些情况下分散性、温度不稳定性和易受干扰性，因此，在某些情况下义限制了半导体传感器的应用。义限制了半导体传感器的应用。第一节第一节 霍尔传感器霍尔传感器 一、工作原理、材料及结构特点一、工作原理、材料及结构特点

3、(一一)霍尔效应霍尔效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。生电动势的现象。BvqF正电荷q0负电荷q0负电荷q0可以看出：输入电流可以看出：输入电流I和次感应强度和次感应强度B一定时，一定时，N型半导型半导体和体和P型半导体得霍尔电势极性相反型半导体得霍尔电势极性相反 设霍耳片的长度为设霍耳片的长度为L，宽度为，宽度为l，厚度为，厚度为d。又设电子以均匀的。又设电子以均匀的速度速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它的作用下，它受到受到洛仑兹力洛仑兹力qvBfLq

4、电子电量电子电量(1.6210- -19C)； v电于运动速度。电于运动速度。同时，作用于电子的同时，作用于电子的电场力电场力lqUqEfHHE/当达到动态平衡时当达到动态平衡时lqUqvBH/dnqvldjlI)/(dnqlIv)/( pqdIBUH电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体pP型半导体中的孔穴浓度)/(nqdIBUHN型半导体用同样的方法可得用同样的方法可得p型半导体型半导体霍耳电势霍耳电势UH与与 I、B的乘积成正比，而与的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成反比。于是可改写成：成： dIBRVHH型）（型）（PqpRNqnRpHnH11dIBRVH

5、HHR 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率型）（型）（PqpRNqnRpHnH11载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高但很高但很小。它们的霍尔系数很小，不宜于制作霍尔器件。很小。它们的霍尔系数很小，不宜于制作霍尔器件。为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。因为电子的迁移率总是大于空穴的迁移率，故霍尔片都因为电子的迁移率总是大于空穴的迁移率，故霍尔片都采用采用N N型半导体。型半导体。设 KH=RH / d KH霍耳器件的霍

6、耳器件的乘积灵敏度乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。电势的大小。 若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为的方向与霍耳器件的平面法线夹角为时，时，霍耳电霍耳电势势应为：应为： VH KH I B VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电霍耳电势的势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电霍耳电势并不

7、势并不改变方向。改变方向。(二二)材料及结构特点材料及结构特点 霍尔元件一般采用霍尔元件一般采用N型锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶型锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件输出较大，但受温度影响也较大。锗材料制成。锑化铟元件输出较大，但受温度影响也较大。锗元件输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件输出没有锑化铟元件大，但受温度影响却比锑化铟小，元件输出没有锑化铟元件大，但受温度影响却比锑化铟小，且且 线性度也较好，因此，采用砷化铟为霍尔元件的材料受线性度也较好，因此，采用砷化铟为霍尔元件的材料受到普遍重视。到普遍重视。

8、 霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔元件是霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔元件是一块矩形半导体薄片，在短边的两端面上焊上两根控制电流一块矩形半导体薄片，在短边的两端面上焊上两根控制电流端引线，在元件长边中间以点的形式焊上两根霍尔输出端引端引线，在元件长边中间以点的形式焊上两根霍尔输出端引线，在焊接处要求接触电阻小，呈纯电阻性质线，在焊接处要求接触电阻小，呈纯电阻性质(欧姆接触欧姆接触)。 霍尔片一般用非磁性金属陶瓷或环氧树脂封装。霍尔片一般用非磁性金属陶瓷或环氧树脂封装。霍耳器件片(a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸

9、：5.42.70.2dsL（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）l电流极霍耳电极R4ABCDR1R2R3R4（c）霍耳输出端的端子霍耳输出端的端子C、D相应地相应地称为称为霍耳端霍耳端或输出端。或输出端。若霍耳端子间连接负载若霍耳端子间连接负载,称为霍称为霍耳耳负载电阻负载电阻或霍耳负载。或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为电流电极间的电阻，称为输入电输入电阻阻，或者控制内阻。，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为霍耳端子间的电阻，称为输出电输出电阻阻或霍耳侧内部电阻。或霍耳侧内部电阻。 器件电流器件电流(控制电流控制电流或输入电流或输入电流): 流入到器件内的电流流入到器件内

10、的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBCCCDDD关于霍耳器件符号，名称关于霍耳器件符号，名称及型号，国内外尚无统一及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号暂规定下列名称的符号。 图中控制电流图中控制电流I由电源由电源E供给供给, ,R为调节电阻为调节电阻, ,保证器件内所需控保证器件内所需控制电流制电流I。霍耳输出端接负载。霍耳输出端接负载R3, ,R3可是一般电阻或放大器的可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件垂直通过霍耳器件, ,

11、在磁场在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。与控制电流作用下，由负载上获得电压。UHR3VBIEIH霍耳器件的基本电路R实际使用时实际使用时, ,器件输入信号可以是器件输入信号可以是I I或或B B，或者，或者IBIB, ,而输出可以而输出可以正比于正比于I I或或B B, , 或者正比于其乘积或者正比于其乘积IBIB。（三）基本电路（三）基本电路控制电流控制电流I；霍耳电势霍耳电势UH；控制电压控制电压V；输出电阻输出电阻R2；输入电阻输入电阻R1；霍耳负载电阻霍耳负载电阻R3；霍耳电流霍耳电流IH。 IKBIdRUIHHVKVRKBVdRRUVHH1111上两式是霍耳器件中的基本公式。

12、即：上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压同样，若给出控制电压V V，由于，由于V=RV=R1 1I I，可得控制电压和霍耳电，可得控制电压和霍耳电势的关系式势的关系式设霍耳片厚度设霍耳片厚度 d d 均匀，电流均匀，电流 I I 和霍耳电场的方向分别平行于和霍耳电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流长、短边界，则控制电流 I I

13、 和霍耳电势和霍耳电势 U UH H 的关系式的关系式二、基本特性二、基本特性1、直线性、直线性：指霍耳器件的输出电势：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。之间呈线性关系。UH=KHBI 2 2、灵敏度、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：电势灵敏度表示：K KH H乘积灵敏度，表示霍耳电势乘积灵敏度，表示霍耳电势V VH H与磁感应强度与磁感应强度B B和控制电流和控制电流I I乘积之间的比值，通常以乘积之间的比值，通常以mV/(mAmV/(mA0.1T)0.1T)。因为霍

14、耳元件的输出。因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定电压要由两个输入量的乘积来确定, ,故称为故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。势值。常用于磁场测量等情况。常用于磁场测量等情况。 KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。强度下电流对应的霍耳电势值。若若控制电流值固定控制电流值固定，则：，则：UHKBB若若

15、磁场值固定磁场值固定，则：，则：UHKI I3、额定电流、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载等于霍耳负载电阻电阻R3时，霍耳输出功率为最大。时，霍耳输出功率为最大。 22max4/ RUPHO5 5、最大效率、最大效率 霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：和

16、最大输出对应的效率，称为最大效率，即：1222maxmax4/RIRUPPHinO6、负载特性、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如之间便失去了线性关系。如图图所所示示。 VH8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值R3I霍耳电势的负

17、载特性=R3/R2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况7、温度特性、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。率（或电导率）与温度的关系。霍耳材料的温度特征霍耳材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重影响双重影

18、响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反灵敏度。二者相反。砷化铟砷化铟锑化锑化铟铟砷化铟砷化铟锑化锑化铟铟8、频率特性、频率特性u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性器件的频率特性很好，到很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此时交流输出还与直流情况相同。因此, ,霍耳器件霍耳器件可用于微波范围可用于微波范围, ,其输出不受频率影响。其输出不受频率影响。 u磁场交变。磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周

19、围介质的磁导率及磁路参数率、周围介质的磁导率及磁路参数( (特别是气隙宽度特别是气隙宽度) )等有关。等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。的频率特性的。 三、三、霍

20、耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以量，并以开关信号形式输出开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部由稳压电路、霍耳元件、

21、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。分组成。 稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 1 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器的结构及工作原理霍耳开关集成传感器内部结构框图霍耳开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大BT整形地H3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路霍耳开关集成传感器的外型及应用电路1232 2霍耳开关集成传感器

22、的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的图中的BOP为工作点为工作点“开开”的的磁感应强度，磁感应强度，BRP为释放点为释放点“关关”的磁感应强度。的磁感应强度。霍耳开关集成传感器的技术参数：霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。输出导通电流、工作温度、工作点。霍耳开关集成传感器的工作特性曲线霍耳开关集成传感器的工作特性曲线

23、VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB0 该曲线反映了外加磁该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。传感器处于关状态。 3 3霍耳开关集成传感器的应用霍耳开关集成传感器的应用 （1）霍耳开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关

24、集成传感器的一般接口电路VACRL磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。 （2）给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的要求磁铁平面

25、与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑滑近移动近移动的方式在传感器前方通过的方式在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。SN磁力

26、集中器传感器磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图SN磁力集中器传感器磁铁铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图SN磁铁磁力集中器传感器带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁感应强度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图 (a)加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例(b)推拉式 两个磁铁的两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。图所示的较为线性的特性。N SS N传感器推拉式激励磁场示意图推拉式推拉式L1-