霍尔式传感器

5.2霍尔式传感器霍尔传感器是半导体磁敏传感器的一种。半导体磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子及空穴的运动方向随磁场改变而改变这一特性制成的，按其结构可分为体型和结型两大类，霍尔传感器和磁敏电阻属于体型，磁敏二极管和磁敏三极管属于结型。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应，但直到20世纪50年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国从20世纪70年代开始研究霍尔器件，经30余年的研究和开发，目前已经能生产各种性能的霍尔元件，如普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。5.2.1霍尔效应与霍尔元件材料1霍尔效应一块长为l、宽为b、厚度为d的半导体薄片，置于磁感应强度为8的磁场中（z方向），磁场方向垂直与薄片所在平面，如图5.2.1所示。当在它相对的两边通以控制电流I（J方向），磁场的方向与电流方向正交，则在垂直于电流和磁场方向的半导体另外两边上（，方向），将产生电动势七，其大小与控制电流和磁感应强度成正比，即七二七18,这种现象叫霍尔效应，其中kH为霍尔元件的灵敏度，该电势称为霍尔电势，该半导体薄片就是霍尔元件。图5.2.1霍尔效应原理图图5.2.1霍尔效应原理图霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场洛仑兹力作用而产生的。假设霍尔元件为N型半导体，在其左右两端通以电流I，称为控制电流。那么，半导体多子电子，将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场8的作用，使电子受到洛伦兹力F的作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上，电子进行积累，而前L端面缺少电阻，因此，后端面带负电，前端面带正电，在前后两端面间形成电场。电子在该电场中受到的电场力F阻碍电子继续偏转，当F与匕相等时，电子的积累和偏转达到动态平衡。这时，在半导体的前后两个端面间建立的电场叫霍尔电场eh，相应的电势就是霍尔电势uh。若电子以速度V按图5.2.1示方向运动，受到的洛伦兹力为Fl=evB （5.2.1）电子受到的电场力为FE=-eEH （5.2.2）负号表示力的方向与电场方向相反。l,b,d分别为半导体的长、宽、高。由于

Eh=UH/b （5.2.3）则电子受到的电场力可表示为FE=~eUH/b （5.2.4）当电子的偏转积累使得电子受到的力达到动态平衡时F+Fl=0 （5.2.5）将（5.2.1）式和（5.2.4）代入上式得到vB=Uh/b （5.2.6）半导体中的电流密度为（流过单位面积的电流强度）j=-nev （5.2.7）其中n为N型半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电流方向与电子运动方向相反。所以电流强度为I=j-ab=-nev-ab （5.2.8）则v=I/（neab） （5.2.9）代入（5.2.6）式得到U=-当=R-当=k-IB （5.2.10）HnedHdH其中Rh=—1/ne叫为霍尔系数，由载流材料的性质决定；七=Rh/d=-/（ned）叫灵敏度系数，表示在单位磁感应强度和单位控制电流的作用下，能输出霍尔电势的大小。如果磁场与霍尔元件的法线有a的夹角，则（5.2.10）改写成Uh=kHIBcosa （5.2.11）金属材料中自由电子浓度n很高，因此Rh很小，使输出Uh很小，不宜制作霍尔元件。霍尔式传感器中的霍尔元件都是用半导体材料制成。IB

ped如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴的浓度为p，则同理可得霍尔电势IB

ped（5.2.12）材料的电阻率P与载流子的浓度P（或n）、载流子的迁移率日（R=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度）的关系为P=-^或P=^— （5.2.13）pq日nq日其中q为载流子的电量。那么可以得到Rh=PR （5.2.14）

由此可见，要想霍尔效应强，就希望R值大，这就要求材料的电阻率高，同时迁移率大。一般金属H材料的载流子迁移率很大，但电阻率很低；而绝缘体的电阻率虽然很高，但载流子迁移率极小。只有半导体才是两者兼优的制造霍尔元件的理想材料。而且，一般地，电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。由式（5.2.10）可知，d越小，气就越大，所以，一般的霍尔元件都很薄，厚度在川m左右。当控制电流和磁场方向之一的方向反向，则霍尔电势的方向反向。但是，当它们同时反向，霍尔电势方向不变。当霍尔元件的材料和尺寸都确定后，霍尔电势的大小正比于控制电流和磁感应强度。因此，当控制电流一定时，可用霍尔元件测量磁感应强度，或当磁感应强度一定时，可测量电流。特别地，当控制电流一定，霍尔元件处于一线性梯度磁场中，当霍尔元件移动时，输出的霍尔电势就能反映磁场的大小，从而知道霍尔元件的位置，因此可用来测量微小位移、压力和机械振动等。2霍尔元件材料锗（Ge）硅（Si）3砷化铟（InAs）和锑化铟（InSb）5.2.2霍尔元件的构造及测量电路1构造由霍尔片、四极引线和壳体组成。霍尔片是一半导体单晶薄片。四极引线分为控制电流端引线和霍尔输出端引线。控制电流端引线分别焊在位移晶片长度走向的两个端面上，通常为红色导线，其焊接处叫控制电流极；霍尔输出引线位于晶片的宽度走向上，分别焊接在两侧面的中心位置，通常为绿色导线，其焊接处叫霍尔电极。要求它们的焊接都是欧姆焊接，即接触电阻很小，且呈纯电阻（无电容和电感效应）。霍尔电极引线的宽度与长度比不能小于0.1，否则影响输出。壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。图5.2.3霍尔元件基本测量电路图图5.2.3霍尔元件基本测量电路霍尔元件在电路中的电气符号可用图5-2（c）两种符号表示。2测量电路1）霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图5.23所示。控制电流/由电就提供，%是用来调节控制电流大小的。Rl是输出霍尔电势UL的负载。Rl通常放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场和控制电流的作用下，才会产生霍尔电势，所以可以抄-B乘积、I、B作为输入信号，霍尔元件的输出电势分别正比于I-B或I、B。2）霍尔元件的连接方式为了获得较大的霍尔电势输出，除基本测量电路外，可采用几片霍尔元件叠加的连接方式，如图5.2.4所示。其中5.2.4（a）为直流供电情况，控制电流端并联，由吗和吗调节两个电位器元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，输出电势为单块霍尔元件的2倍。图5.2.4（3为交流供电情况，控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号的叠加值输出。图5.2.4霍尔元件输出叠加连接方式3）霍尔电势的输出电路霍尔元件是一种四端器件，输出电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件可分为线性测量和开关状态两种使用方式，输出电路有两种结构，如图5.2.5所示。（a） （b）图5.2.5霍尔元件的输出电路图5.2.5中是以中科院半导体所生产的GaAs霍尔元件为例，图（a）为线性应用，后接比例放大器，图（b）为开关应用，后接射极跟随器。当用霍尔元件作线性测量时，应选稳定性和线性度好、不等位电势小、灵敏度低一点的霍尔元件。例如，选用灵敏度、=5mV/mA-kGs，控制电流为5mA的霍尔元件作为线性测量元件，若要测量1Gs-10kGs的磁场，则霍尔元件的输出为气i=5mV/mA•kGsx5mAx10-3kGs=25rVUh =5mV/mA•kGsx5mAx10kGs=250mV所以要选择低噪声放大器作为前级放大器。5.2.3霍尔元件的主要技术指标1额定激励电流对一定的元件，为使其温升不超过一定值，就需要对激励电流加以限制。定义使霍尔元件温升10°C所施加的控制电流值，叫额定激励电流，通常用Ih表示。通过电流七的载流体所产生的焦耳热为W=12R=12-1HHbd而霍尔元件的散热W主要是由没有电极的两个侧面承担（其它四侧面面积太小），即2W=2lb-M-A其中AT是限定的温升（霍尔片和周围环境的温差），A是霍尔片的散热系数。这个公式叫牛顿散热公式（为一半经验公式）。当产生的焦耳热核散热相等时吗=*-bdd=2lb-ATA=W2可求得额定电流得到IH=b*AT-A-1/p （5.2.15）2输入电阻R和输出电阻Ri s输入电阻R.指控制电流极间的电阻值。输出电阻R是指霍尔电极间电阻值。它们可在无磁场时用欧姆表测量。规定要在室温下测量。3不等位电势及零位电阻r0在额定的直流控制电流I下，不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势叫不等位电势，或叫零位电势，H用U0表示。产生不等位电势的主要原因有：1霍尔电极安装位置不正确。电极不对称或不在同一等位面上。2半导体材料不均匀。造成电阻率不均匀或几何尺寸不均匀。3控制电极接触不均匀。造成控制电流分布不均匀。定义不等位电阻为r=U0IIh （5.2.16）它与不等位电势说明的是同一内容。4寄生直流电势当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，交流电流有效值为Ih，霍尔电极间的空载电势为直流和交流电势之和，其中交流电势与前述的零位电势相对应，而直流电势是个寄生量，叫寄生直流电势V。产生寄生直流电势V的原因有：1控制电极及霍尔电极的接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效果所致；2两个霍尔电极大小不对称，造成连个电极点的热容量不同，散热状态不同，于是形成极间温差电势，表现为直流寄生电势中的一部分。温差电势在第八章会讲。5热阻rq霍尔电极开路时，在霍尔元件上输入1成巧的电功率时，元件上产生的温升：

(5.2.16)E I2R(5.2.16)AT= 2/-b-A因为温升与电阻有关，所以叫热阻。5.2.4霍尔元件的补偿电路1不等位电势的补偿由于不等位电势与不等位电阻是致的，因此可用分析电阻的方法来对其进行补偿。图5.2.6不等位电势的补偿如图5.2.6所示，其中A,B为控制电极，C,D为霍尔电极，在极间分布的电阻用R,R,R,R致的，因此可用分析电阻的方法来对其进行补偿。图5.2.6不等位电势的补偿12 3 4理想情况下，%=R2=R3=R4，即可取得零位电势为零。实际上，若干存在零位电势，则说明这四个电阻不等。将这四个电阻视为电桥的四个臂，当存在零位电势时，电桥不平衡，为了使电桥达到平衡状态，可在电桥的阻值较大的臂上并联一个电阻，如图（a）所示，或在两个臂上同时并联电阻，如图（b）和（c）所示，显然图（c）调节比较方便。2温度补偿一般地，半导体的电阻率、迁移率和载流子浓度都是温度的函数。因此，霍尔元件的性能参数，如灵敏度、输入电阻和输出电阻等都会随温度的变化而变化。因此应对其进行温度补偿。1）分流电阻法使用于恒流源供给控制电流的情况。其原理结构如图5.2.7所示。假设初始温度为T，这时它的主要参数为：,霍尔元件的输入电阻，R温度补偿电阻，I被分流的0 0 0 00电流，Ic0控制电流，七0霍尔元件的灵敏度系数。当温度由T升为T时，上述参数分别变为r—r，R—R，I—1，1—1，k—k。0 0 0 00 0C0C H0 H且有如下关系r=r（1+aAT）R=R0（1+pAT）

图5.2.7采用分流电阻法的温度补偿电路图5.2.8桥路补偿法的温度补偿电路其中AT=T-T,以,p,图5.2.7采用分流电阻法的温度补偿电路图5.2.8桥路补偿法的温度补偿电路根据电路有I_IR_I R0(1'p.AT)c-•R+r_"R0(1+p・AT)+,(1+a・AT)温度补偿的目的是，当温度改变时，霍尔电势不变，则即kIB_kIB，代入得H0C0HCR(1+p・AT)—•B_k(1+5•AT)•I•一t一一J— •BR(1+p・AT)+r(1+a・AT)整理可得(5.2.17)以一P-5R0_r•H(5.2.17)对于一个确定的霍尔元件，其参数"、a、5是确定值，可由上式求得分流电阻勺及要求的温度系数。。为了能同时满足R和P两个参数的条件，此分流电阻可采用温度系数不同的两种电阻实行串、并联0组合。2）电桥补偿法其原理结构如图5.2.8所示。其工作原理如为：霍尔元件的不等位电势用调节R,的方法进行补偿。在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥。此电桥的四个臂中有一个是锰铜电阻并联的热敏电阻，以调整霍尔元件的温度系数，其它三个桥臂均为锰铜电阻。因为补偿电桥可以给出一个随温度而该变的可调不平衡电压，该电压与温度呈非线性关系，只要细心地调整这个不平衡的非线性电压，就可以补偿霍尔元件的温度漂移。5.2.5霍尔传感器的应用

霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性，已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。例1霍尔式位移传感器。图5.2.9霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器的结构如图5.2.9（a）所示，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件，当控制电流/恒定不变时，霍尔电势七与外磁感应强度成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dB/dx为一常数，如图5.2.9（b）所示，则当霍尔元件沿工方向移动时，霍尔电势变化为（5.2.18）U=