第九章 霍尔传感器精品文档

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霍尔系数及灵敏度
令
RH


1 ne
则
UH

RH
IB d
RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。 由于金属导体内的载流子浓度大于半导
体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔
系数大于导体。
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令
KH

RH d
则 UHKHIB
KH为霍尔元件的灵敏度。 由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅
与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的 几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大 越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件 的厚度d与KH成反比。
时，应使热敏元件和 霍尔元件的温度一致。
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三、不等位电势的补偿
不等位电势是霍尔元件在加
控制电流而不加外磁场时，而出
现的霍尔电势称为零位误差。
在分析不等位电势时，可将
霍尔元件等效为一个电桥，如右
图所示。控制电极A、B和霍尔电
极C、D可看作电桥的电阻连接点。
它 们 之 间 分 布 电 阻 R1 、 R2 、 R3 、 R4构成四个桥臂，控制电压可视 为电桥的工作电压。
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3、输入电阻Ri和输出电阻R0
Ri是指流过控制电流的电极（简称控制 电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的 霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间 的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B
＝0和室温（20 5）℃时，用欧姆表等
测量。
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4、不等位电势UM和不等位电阻RM
一、霍尔元件的基本结构组成
由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。
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国产霍尔元件型号的命名方法
2019/9/2515 Nhomakorabea二、主要技术指标
1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm
霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加 的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的 磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍 尔输出。
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z y
I B
A
D
FL
B
C
dL
l
UH
x
A、B-霍尔电极 C、D-控制电极
设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流 子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将 受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是 洛仑兹力。它的大小为：FL=－evB
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电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电
特点：
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢 固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便， 功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、 水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
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霍尔效应原理图
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霍尔元件
金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
在额定控制电流 Ic 之下，不加磁
B＝0时，霍尔电极间的空载霍尔电势
UH≠0，称为不平衡(不等位)电势，单
位为mV。一般要求霍尔元件的UH<1mV，
好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。
不等位电势和额定控制电流Ic之比为不
等位电阻RM，即
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RM
UM IC
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不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工 艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等
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（一）基本补偿电路
霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图9－7 为两种常见电路，其中RW是调节电阻。
基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生 变化，需要重新进行平衡调节。
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（二）具有温度补偿的补偿电路
右图是一种常见的具有温度 补偿的不等位电势补偿电路。 该补偿电路本身也接成桥式 电路，其工作电压有霍尔元 件的控制电压提供；其中一 个为热敏电阻Rt，并且于霍 尔元件的等效电阻的温度特 性相同。
霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。
一般锗元件的最大允许温升ΔTm<80℃，硅 元件的ΔTm<175℃。当霍尔元件的温升达到 ΔTm时的IC就是最大控制电流ICm 。
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2、乘积灵敏度KH
其定义
KH
UH IB
霍尔元件的乘积灵敏度定义为在 单位控制电流和单位磁感应强度下， 霍尔电势输出端开路时的电势值，其 单位为V（AT），它反应了霍尔元件本 身所具有的磁电转换能力，一般希望 它越大越好。
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• 要满足IC ＝ （1－αΔT） （IC＋ΔIC ），为此 采用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电
路中并联一个起分流作用的补偿电阻R。根据
上图可得
IC
I
R RRi
IC
IC
I
R(1T) Ri(1T)R(1T)
式中 2019/9/25 γ—补偿电阻R的温度系数。
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图（a）是在输入回
路进行温度补偿电
路，当温度变化时， 用Rt的变化来抵消 霍尔元件的乘积灵 敏度KH和输入电阻 Ri变化对霍尔输出 电势UH的影响。
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• 图（b）则是在输 出回路进行温度补偿 的电路，当温度变化 时，用Rt的变化来抵 消霍尔电势UH和输出 电阻R0变化对负载电 阻RL上的电压UL的影 响。 在安装测量电路
高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，
但d太小，会使元件的输入、输出电
阻增加。
霍尔电压UH与控制电流及磁场强
度成正比，当磁场改变方向时，也改 变方向。
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I B
A
θD
B
C
dL
l
UH
A、B-霍尔电极 C、D-控制电极
若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度 θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强 度为B cosθ，因此
RL R0
对于一个确定的霍尔元件，可以方 便地获得α、β和R0的值，因此只要使 负载电阻RL满足上式，就可在输出回路 实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常 是放大器的输入电阻或表头内阻，其值 是一定的，但可通过串、并联电阻来调 整RL的值。
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（三）采用热敏元件
对于由温度系数较 大的半导体材料 （如锑化铟）制成 的霍尔元件，常采 用右图所示的温度 补偿电路，图中Rt 是热敏元件（热电 阻或热敏电阻）。
对上式进行整理，并忽略（ΔT）2 项可得

RRi
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RRi

对于一个确定的霍尔元件，α 和β值可由元件参数表查得，Ri 可 在无外磁场和室温条件下直接测 得。因此只要选择适当的补偿电 阻 ， 使 其 R 和 γ满足上式，就可在 输入回路实现对温度误差的补偿 了。
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（二）合理选择负载电阻
如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL， 则当温度为T时，RL上的电压可表示为：
UL
UH
RL RL R0
式中
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R0—霍尔元件的输出电阻。
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当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为
U L U L U H (1 T )R LR 0 R (1 L T )
电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，
即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，
此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。
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5、霍尔电势温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电 流下，温度变化1℃时，霍尔电势 变化的百分率称为霍尔电势温度
系数α，单位为1／℃。
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通过以上分析可知：
1）霍尔电压UH与材料的性质有关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏
度愈低；
n 愈小，KH 愈大，但n太小，
需施加极高的电压才能产生很小 的电流。因此霍尔元件一般采用N 型半导体材料
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2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。
d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈

UH=KHIBcosθ
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3）P型半导体，其多数载流子 是空穴，也存在霍尔效应，但 极性和N型半导体的相反。
4）霍尔电压UH与磁场B和电流I 成正比，只要测出UH ，那么B
或I的未知量均可利用霍尔元 件进行测量。
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第二节 霍尔元件的基本结构和 主要技术指标
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理想情况下，不等位电 势 UM=0 ， 对 应 于 电 桥 的 平 衡 状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。
如果霍尔元件的UM≠0， 则电桥就处于不平衡状态， 此时R1、R2、R3、R4的阻值有 差 异 ， UM 就 是 电 桥 的 不 平 衡 输出电压。
只要能使电桥达到平衡
的方法都可作为不等位电势 的补偿方法。
场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力 方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为
FE eEH eUlH
式中EH为霍尔电场，e 为电子电量，UH为霍尔 电势。当FL = FE时，电 子的积累达到动平衡，
即 eB eUH
l
I B
A FE
D
FL
B
C
dL
l
UH
U l B 所以 2019/9/25 H
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第三节 霍尔元件的测量电路