第讲压力检测霍尔式

第11讲霍尔式压力传感器

HallPressureSensors

EdwinHerbertHallEdwinHerbertHall(1855-1938)霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导体热电机理时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔电势电场力洛仑兹力控制电流电子速度磁感应强度半导体薄片置于磁场

B

中，当它的电流

I

方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势UH

，这种现象称霍尔效应。产生的电动势称霍尔电势半导体薄片称霍尔元件载流子受洛仑兹力霍尔电场强度e＝

1.602×10-19

为电子电荷量电场力电子运动平均速度因为n为N型半导体中的电子浓度平衡状态可得RH——霍尔常数，由载流材料物理性质决定。I

——控制电流强度B——磁感应强度d——霍尔元件厚度霍尔常数霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件灵敏度半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件霍尔传感器的特点霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。霍尔元件霍尔元件霍尔元件材料1．锗(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)，N型及P型均可。3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。霍尔元件霍尔元件霍尔元件图(a)中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。霍尔伐元件图(b毛)是霍划尔元末件通偏用的善图形企符号图(c卸)霍尔贞电极匪在基烤片上息的位对置及汤它的迹宽度沿对霍恐尔电拼势数浙值影境响很检大。伍通常纵霍尔送电极吵位于片基片慕长度汽的中显间，哥其宽荡度远得小于段基片窄的长道度。图(d甩)是基妨本测尚量电隐路仓。霍尔毒元件霍尔寸元件霍尔竿元件秃结构:霍尔歉片，季四极炸引线啊，壳研体测量颠电路霍尔纹元件屋的基龄本测干量电诞路如胞图所湿示。腰激敞励电填流由泽电源E供给声，可会变电堤阻RP用来想调节兽激励军电流I的大换小。RL为输碗出霍晌尔电素势UH的负榜载电宜阻。达通常浮它是族显示缘瑞仪表练、记寄录装获置或恼放大季器的焦输入涛阻抗侵。霍尔育元件谁的主缠要技夺术指绒标额定潜激励发电流IH使霍治尔元嫩件温培升10拦℃所施嗓加的鸡控制窄电流项值称矛为额桂定激伤励电吸流。冻通常抽用IH表示汉。输入礼电阻Ri它是织指控蔬制电妥流极朽间的益电阻坊值。柔它规雁定要老在室系温(2盈0±润5℃棋)的环快境温争度中死测取浓。输出艰电阻Rs它是洗指霍姨尔电概极间得的电讯阻值狂。规穿定中紧要求感在(2移0±昆5℃滨)的条虏件下歇测取滥。霍尔宵元件诊的主将要技草术指旧标不等还位电幸势及狸零位挥电阻r0当霍挑尔元悦件通值以控钱制电模流IH而不森加外罪磁场怒时，礼它的缎霍尔尼输出酱端之浪间仍滴有空候载电守势存斯在，落该电泰势就东称为疼不等王位电熟势(或零不位电精势)。寄生舞直流态电势V当不秀加外便磁场敏，控沾制电沸流改所用额令定交呀流电毙流时露，霍僻尔电搬极间饰的空状载电培势为幼直流脱与交铅流电滤势之急和。那其中冒的交平流霍刑尔电柴势与呀前述题零位么电势伪相对职应，骄而直果流霍考尔电守势是胆个寄裙生量闪，称姿为寄腐生直吩流电蓬势V。霍尔斤元件勺的主征要技龄术指丧标热阻RQ它表喉示在纲霍尔惭电极斑开路运情况脸下，买在霍北尔元进件上蚊输入lm隐W的电匠功率具时产击生的拔温升抢，单持位为C／mW。所以恭称它漠为热轿阻是班因为巾这个趁温升她的大驼小在支一定嗓条件诞下与易电阻蠢有关贿。3.锯6.脸2霍尔认式压茧力计棋工作弯原理产生语线性招磁场辆的磁杠极3.歇6.负3霍尔闭元件架误差刮及补吃偿1.不等上位电员势误蔑差的好补偿2.温度由误差斤及其法补偿不等故位电雾势和拣不等肾位电被阻不等全位电睬势Uo：当禽霍尔垂元件谁的控挥制电体流为坐额定咱值时欠，若龄元件弱所处夜位置醋的磁易感应悄强度舍为零答，测柳得的祖空载遥霍尔积电势咱。不等弯位电胆势是否由霍塘尔电述极2和2′之间呜的电旦阻决预定的皱，ro称不等殃位电总阻1.不等喜位电跪势误摸差的橡补偿可以慰把霍鸡尔元章件视匹为一转个四臂碍电阻兆电桥，不习等位顺电势屋就相蜂当于券电桥凶的初始除不平黑衡输鹿出电雕压。不等厌位电寇势的锦补偿踏电路不等享位电撒势的史补偿2.温度安误差丛及其因补偿温度廊误差娃产生丛原因首：霍尔苦元件企的基捷片是局半导跌体材暖料，爆因而奶对温救度的昨变化氧很敏由感。并其载沫流子怠浓度甘和载丝式流子杆迁移屿率、要电阻吃率和掏霍尔煤系数仓都是碍温度怠的函懂数。当温丈度变摆化时堂，霍裂尔元盏件的逼一些便特性造参数箱，如补霍尔省电势帖、输猫入电叹阻和庆输出将电阻假等都则要发灰生变睡化，北从而淡使霍何尔式祸传感厕器产梢生温醒度误雅差。减小梳霍尔吃元件难的温怎度误纸差选用勺温度哨系数大小的驰元件采用饶恒温去措施采用知恒流放源供万电恒流付源温盗度补叉偿霍尔裤元件想的灵久敏系贡数也晌是温渣度的内函数农，它急随温战度的究变化促引起罢霍尔蔽电势粘的变脆化，锡霍尔玻元件脾的灵紫敏系恒数与畏温度域的关辜系KH0为温浆度T0时的KH值；△T温度芳变化亦量；霍尔举电势来的温拖度系芒数。大多穗数霍译尔元此件的宽温度茧系数是正碰值时无，它嚼们的床霍尔界电势拘随温衰度的帐升高禽而增略加(1兼+△t)倍。同时钻，让派控制两电流I相应无地减李小，再能保牢持KHI不变故就抵旺消了所灵敏渡系数贪值增诸加的帆影响距。恒流铜源温响度补勇偿电咸路当霍深尔元委件的励输入限电阻缎随温射度升坑高而奸增加砍时，通旁路孤分流袋电阻个自动钞地加咏强分扔流，范减少咽了霍认尔元池件的梳控制倚电流3.写6.库4应用测量命原理：霍尔皂电势捡与磁乡丰感应笑强度咽成正遇比，损若磁挣感应愧强度坛是位快置的挤函数甩，则仙霍尔割电势伟的大击小就畅可以漂用