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1、常用半导体传感器第1页，共18页，编辑于2022年，星期六d为霍尔元件的厚度洛伦兹力：洛伦兹力：FL=-ev B 电荷聚集，电荷聚集，UH产生产生静电场产生反力：静电场产生反力：FE=-e EU=-e UH/b平衡时：平衡时：FL=FE，-ev B=-e UH/b UH=bvB I 为控制电流：为控制电流：I=dQ/dt=b d v n(-e)b v=I/d n(-e)则：则：UH=I B/d n(-e)取取 RH=1/n(-e)霍尔常数霍尔常数,由半导体材料决定由半导体材料决定则：则：UH=RH I B/d取取 KH=RH/d 则：则：UH=KH I B 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中
2、洛霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果：伦兹力作用的结果：UH=KHIBb为霍尔元件的宽度n为单位体积内自由电子数第2页，共18页，编辑于2022年，星期六 UH=KH I B 霍尔电势的大小正比于控制电流霍尔电势的大小正比于控制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B的乘积。的乘积。K KH H称为霍尔元称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数的重要参数 当控制电流方向或磁场方向改变时，当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变输出电动势方向也将改
3、变第3页，共18页，编辑于2022年，星期六二、灵敏度二、灵敏度1 1）材料电阻）材料电阻与载流子浓度与载流子浓度n n和其迁移率和其迁移率相相关，关，RH=(,)(,)(RH=1/n(-e)2）KH=RH/d，则则d要小，霍尔片要薄（要小，霍尔片要薄（1mm）3）霍尔片长边）霍尔片长边/短边短边4，输出不受影响（一般长边，输出不受影响（一般长边/短边短边=2,短边通以电流，长边输出短边通以电流，长边输出UH）建立霍尔效应的时间很短：建立霍尔效应的时间很短：10-2 10-14控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）第4页，共18页，编辑于2022年
4、，星期六 接触要求：欧姆接触（无接触要求：欧姆接触（无PNPN结）结）老式：焊接老式：焊接 新方法：离子注入工艺新方法：离子注入工艺 溅射工艺溅射工艺 霍尔元件外形及结构：霍尔元件外形及结构：尺寸：尺寸：4mm 2mm 0.1mm4mm 2mm 0.1mm1324第5页，共18页，编辑于2022年，星期六由于建立霍尔效应的时间很短，因此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）在磁场作用下，负载上有电压输出。在磁场作用下，负载上有电压输出。实际使用时实际使用时,以以I I或或B,B,或同时作为输入信号，而输出或同时作为输入信号，而输出信号则正比于信号则正比于I I或或B,B,或两者的乘积。或两
5、者的乘积。三、基本电路三、基本电路 控制电流由控制电流由E E供给供给 R RP P为调节电阻为调节电阻 R Rf为负载电阻为负载电阻第6页，共18页，编辑于2022年，星期六 四、电磁特性四、电磁特性 1 1）HI特性：特性：UH=KH I B 在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势UH与控制电流与控制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用KI表示。表示。KI=KH B UH=KI I（线性）（线性）KH KI KI 、I UH 第7页，共18页，编辑于2022年，星期六五、五、材料及结构特点材
6、料及结构特点一般采用以下半导体单晶材料制成：N型锗型锗、砷化铟砷化铟、锑化铟锑化铟 输出大输出大输出大输出大受温度影响大受温度影响大输出小输出小输出小输出小温度和线形度较好温度和线形度较好温度和线形度较好温度和线形度较好线形度好线形度好受温度影响比锑化铟小受温度影响比锑化铟小受温度影响比锑化铟小受温度影响比锑化铟小输出没有锑化铟大输出没有锑化铟大输出没有锑化铟大输出没有锑化铟大敏感敏感元件元件一般一般测量测量第8页，共18页，编辑于2022年，星期六六、误差分析及误差补偿方法六、误差分析及误差补偿方法）元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能的影响的影响UH=f
7、H()RHIBdLlfH(L/l)为元件的 形状系数当当L/L/l22时时,形状系数形状系数fH(L/l)接近于接近于1 1实际上实际上,取取L/L/l=2=2 b)b)霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响当当S/L0.1S/L0.1时时,电极宽度的影响才可以忽略不记电极宽度的影响才可以忽略不记.a)a)第9页，共18页，编辑于2022年，星期六UH=fH()RHIBdLlS/L0.1S/L0.1第10页，共18页，编辑于2022年，星期六 2 2）不等位电动势及其补偿不等位电动势及其补偿 主要零位误差，制作时不能保证将霍尔电动主要零位误差，制作时不能保证将
8、霍尔电动 势势极焊在同一等位面上极焊在同一等位面上.第11页，共18页，编辑于2022年，星期六3 3）寄生直流电动势寄生直流电动势a a）非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动势极上非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动势极上的整流效应的整流效应b b）电动势极的的焊点不一致电动势极的的焊点不一致,两焊点的热容量两焊点的热容量不一致产生温差寄生直流电动势不一致产生温差寄生直流电动势第12页，共18页，编辑于2022年，星期六自身补偿法自身补偿法自身补偿法自身补偿法4 4）感应电动势感应电动势 在交变磁场中工作时在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附加感应在输出回路中产生附加感应电动势电动势,其大小正
9、比于磁场变化的频率和磁感应强度其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值的幅值,并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比比a a在磁路气隙中安在磁路气隙中安置一辅助霍尔元置一辅助霍尔元件件(特性相同特性相同)b b合理布线，合理布线，自身补自身补偿法偿法第13页，共18页，编辑于2022年，星期六5）温度误差补偿温度误差补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的内阻、霍尔子浓度随温度变化，故霍尔元件的内阻、霍尔电动势也将随温度变化电动势也将随温度变化a a 选用温差系数小选用温差系数小的元
10、件（砷化铟）的元件（砷化铟）b b 恒流供电：减恒流供电：减少元件内阻随温度少元件内阻随温度变化引起的控制电变化引起的控制电流变化。流变化。c c 其它温度补偿其它温度补偿法法第14页，共18页，编辑于2022年，星期六七、霍尔传感器的特点：七、霍尔传感器的特点：霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然其转换效率低，电动势输出的一种传感器。虽然其转换效率低，温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化，（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化，它特别适合于大电流、微小
11、气隙中的磁感应强度、它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。此外，也可用于位移、加高梯度磁场参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。速度、转速等参数的测量以及自动控制。八、应用八、应用1、功能可分为：功能可分为：霍尔线性器件（输出模拟量）霍尔线性器件（输出模拟量）霍尔开关器件（输出数字量）霍尔开关器件（输出数字量）第15页，共18页，编辑于2022年，星期六2 2）按被检测的对象的性质可分为：）按被检测的对象的性质可分为：直接应用：直接检测出受检测对象本身直接应用：直接检测出受检测对象本身 的磁场或磁特性（的磁场或磁特性（高斯计）高斯计）
12、间接应用：检测受检对象上人为设置的间接应用：检测受检对象上人为设置的 磁场，用这个磁场来作被检磁场，用这个磁场来作被检 测的信息的载体，通过它将测的信息的载体，通过它将 许多非电、非磁的物理量例许多非电、非磁的物理量例 如力、位移、速度以及工作如力、位移、速度以及工作 状态发生变化的时间等，转状态发生变化的时间等，转 变成电量来进行检测和控制变成电量来进行检测和控制 为了精确地测量磁场为了精确地测量磁场,常用恒流源供电常用恒流源供电,使被测磁使被测磁场的磁感应强度场的磁感应强度B B可用霍尔电压来量度可用霍尔电压来量度电流传感器电流传感器电功率计电功率计电机控制电机控制（直流无刷电机）（直流无
13、刷电机）第16页，共18页，编辑于2022年，星期六u1电流的测量图给出了霍尔元件用于测量电流时的工作原理图。标准圆环铁芯有一个缺口，用于安置霍尔元件，圆环上绕有线圈，当检测电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器就有信号输出。若采用传感器为UGN-3501M，当线圈为9匝，电流为20A时，其电压输出约为7.4V。利用这种原理，也可制成电流过载检测器或过载保护装置。图 电流测量原理第17页，共18页，编辑于2022年，星期六u2位移的测量霍尔元件也常用于微位移测量。将磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置；将线性霍尔元件置于两块磁铁的中间，其磁感应强度为零，这个位置可以取为位移零点，故在Z=0时，B=0，输出电压等于零。当霍尔元件沿Z轴有位移时，则有一电压输出。测量输出电压，就可得到位移的数值。其特性如图（b）所示。这种位移传感器一般可用来测量l2mm的位移。以测量这种微位移为基础，可以对许多与微位移有关的非电量进行检测，如力、压力、加速度和机械振动等。位移测量原理第18页，共18页，编辑于2022年，星期六