霍尔传感器上课.ppt

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1、霍霍 尔尔 传传 感感 器器一一一一.霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应(一）一）一）一）霍尔效应的定性分析霍尔效应的定性分析霍尔效应的定性分析霍尔效应的定性分析分析一块长方形分析一块长方形分析一块长方形分析一块长方形N N N N型半导体内的电子在电场和磁场共同型半导体内的电子在电场和磁场共同型半导体内的电子在电场和磁场共同型半导体内的电子在电场和磁场共同作用下的规律作用下的规律作用下的规律作用下的规律.设全部电子以平均速度运动，并不考虑电子的热运动。设全部电子以平均速度运动，并不考虑电子的热运动。设全部电子以平均速度运动，并不考虑电子的热运动。设全部电子以平均速度运动，并不考虑电子的热运动。

2、由物理学知，带电质点在磁场中沿和磁力线垂直的方向运由物理学知，带电质点在磁场中沿和磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场力亦即洛伦兹力动时，都要受到磁场力亦即洛伦兹力Fm的作用的作用:Fm=e0vB式中式中:e0 带电粒子的电荷带电粒子的电荷,e0 10-19CB 磁感应强度，磁感应强度，T;T;v 电子运动速度，电子运动速度，m/sm/s。（二）霍尔效应的定量分析霍尔效应的定量分析霍尔效应的定量分析霍尔效应的定量分析将霍尔元件将霍尔元件将霍尔元件将霍尔元件(板厚板厚板厚板厚d d d d一般远一般远一般远一般远小于板宽小于板宽小于板宽小于板宽b b b b和板长的霍尔板和板长的霍尔板和板长的霍

3、尔板和板长的霍尔板)置置置置于一磁场中，在板长方向通以于一磁场中，在板长方向通以于一磁场中，在板长方向通以于一磁场中，在板长方向通以控制电流控制电流控制电流控制电流I I I I时，板的侧向时，板的侧向时，板的侧向时，板的侧向(宽度宽度宽度宽度方向方向方向方向)会产生电势差，称为霍尔会产生电势差，称为霍尔会产生电势差，称为霍尔会产生电势差，称为霍尔电压电压电压电压.在洛伦兹力在洛伦兹力Fm的作用下，电子向板的一方偏转，形成一个的作用下，电子向板的一方偏转，形成一个电场电场E E，该电场，该电场E E又在电子上产生一个反作用力又在电子上产生一个反作用力Fe:Fe=e0E(a)霍尔元件构造霍尔元件

4、构造 当反作用力当反作用力Fe与洛伦兹力与洛伦兹力Fm相等时相等时,电子积累达到动态平电子积累达到动态平衡衡,则则霍尔电场强度霍尔电场强度:E=vB由此在宽度为由此在宽度为由此在宽度为由此在宽度为b b b b的霍尔板上的霍尔板上的霍尔板上的霍尔板上产生电位差产生电位差产生电位差产生电位差U(U(U(U(霍尔发电机霍尔发电机霍尔发电机霍尔发电机)为：为：为：为：U=Eb=bvBU=Eb=bvB 式中：式中：为为霍尔系数霍尔系数霍尔系数霍尔系数，它是由载流体材料物理，它是由载流体材料物理性质决定的一个常数，反映了霍尔效应的强弱程度。性质决定的一个常数，反映了霍尔效应的强弱程度。若霍尔板单位体积内

5、电子数若霍尔板单位体积内电子数若霍尔板单位体积内电子数若霍尔板单位体积内电子数为为为为n n n n，电子定向运动的平均速度，电子定向运动的平均速度，电子定向运动的平均速度，电子定向运动的平均速度为为为为v v，则控制电流，则控制电流，则控制电流，则控制电流I I I I为：为：为：为：I I=nene0 0dbvdbv 电子定向运动的平均速度为电子定向运动的平均速度为电子定向运动的平均速度为电子定向运动的平均速度为v v:v v=I/=I/（nene0 0dbdb）霍尔电场强度霍尔电场强度霍尔电场强度霍尔电场强度:E E=BIBI/(nene0 0dbdb）霍尔电势为：霍尔电势为：霍尔电势为

6、：霍尔电势为：霍尔系数霍尔系数当霍尔元件的材料和几何尺寸确定后，霍尔电势与控制当霍尔元件的材料和几何尺寸确定后，霍尔电势与控制电流和磁感应强度成正比。电流和磁感应强度成正比。值得一提的是，上述推导是建立在磁感应强度值得一提的是，上述推导是建立在磁感应强度B B与霍尔与霍尔板平面相垂直的前提下的。若磁感应强度板平面相垂直的前提下的。若磁感应强度B B与霍尔板平面的与霍尔板平面的法线成法线成 角时，霍尔元件输出的霍尔电势为：角时，霍尔元件输出的霍尔电势为：霍尔电势的灵敏度与霍尔常数霍尔电势的灵敏度与霍尔常数R RH H成正比而与霍尔片厚度成成正比而与霍尔片厚度成反比。反比。式中：式中：KH=RH/

7、d 称为霍尔元件的灵敏度，它表示在单位控制称为霍尔元件的灵敏度，它表示在单位控制电流和单位磁感应强度下霍尔元件输出的霍尔电势值。电流和单位磁感应强度下霍尔元件输出的霍尔电势值。dd越小，即元件越薄，灵敏度越高，故在制作霍尔元件越小，即元件越薄，灵敏度越高，故在制作霍尔元件时，尽可能作的薄些时，尽可能作的薄些.但并不是越薄越好，过薄，输入、但并不是越薄越好，过薄，输入、输出阻抗加大，引起元件的功耗过大输出阻抗加大，引起元件的功耗过大.一般一般d。根据材料的电导率根据材料的电导率根据材料的电导率根据材料的电导率式中式中式中式中 电子迁移率：电子迁移率：电子迁移率：电子迁移率：v v/E/E/E/E

8、vvvv电子移动的平均速度电子移动的平均速度电子移动的平均速度电子移动的平均速度.R RH H（三）对霍尔片材料的要求（三）对霍尔片材料的要求（三）对霍尔片材料的要求（三）对霍尔片材料的要求希望霍尔片材料有较大的霍尔常数。希望霍尔片材料有较大的霍尔常数。希望霍尔片材料有较大的霍尔常数。希望霍尔片材料有较大的霍尔常数。若要霍尔效应强，则霍尔系数若要霍尔效应强，则霍尔系数若要霍尔效应强，则霍尔系数若要霍尔效应强，则霍尔系数R RHH值大。由上式可知，值大。由上式可知，值大。由上式可知，值大。由上式可知，霍尔片材料需有较大的电阻率和载流子迁移率。霍尔片材料需有较大的电阻率和载流子迁移率。霍尔片材料需

9、有较大的电阻率和载流子迁移率。霍尔片材料需有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。料适于制造霍尔片。料适于制造霍尔片。料适于制造霍尔片。霍尔系数霍尔系数目前常用的霍尔元件材料有：目前常用的霍尔

10、元件材料有：目前常用的霍尔元件材料有：目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。一般地在高精度测量中大多采用锗和砷化一般地在高精度测量中大多采用锗和砷化一般地在高精度测量中大多采用锗和砷化一般地在高精度测量中大多采用锗和砷化铟元件；作为一般敏感元件时，采用锑化铟元件。铟元件；作为一般敏感元件时，采用锑化铟元件。铟元件；作为一般敏感元件时，采用锑化铟元件。铟元件；作为一般敏感元件时，采用锑化铟元件。长长长长LLLL宽宽宽宽b b b b时，载流子在偏转中因纵向行程远大于

11、横向行程时，载流子在偏转中因纵向行程远大于横向行程时，载流子在偏转中因纵向行程远大于横向行程时，载流子在偏转中因纵向行程远大于横向行程而基本没有损失，此时前述推导的霍尔电势表达式成立。而基本没有损失，此时前述推导的霍尔电势表达式成立。而基本没有损失，此时前述推导的霍尔电势表达式成立。而基本没有损失，此时前述推导的霍尔电势表达式成立。若宽度加大，或长宽比减小，载流子在偏转中损失加大若宽度加大，或长宽比减小，载流子在偏转中损失加大若宽度加大，或长宽比减小，载流子在偏转中损失加大若宽度加大，或长宽比减小，载流子在偏转中损失加大,输出的霍尔电势将降低。其霍尔输出公式则需要加以修正。输出的霍尔电势将降低

12、。其霍尔输出公式则需要加以修正。输出的霍尔电势将降低。其霍尔输出公式则需要加以修正。输出的霍尔电势将降低。其霍尔输出公式则需要加以修正。霍尔片霍尔片霍尔片霍尔片:一块矩形半导体薄片一块矩形半导体薄片一块矩形半导体薄片一块矩形半导体薄片.在长边的两个端面上焊上两根在长边的两个端面上焊上两根在长边的两个端面上焊上两根在长边的两个端面上焊上两根 控制电流端引线控制电流端引线控制电流端引线控制电流端引线(见图中见图中见图中见图中1-1)1-1)1-1)1-1)；元件短边的中间以点的形式焊上元件短边的中间以点的形式焊上元件短边的中间以点的形式焊上元件短边的中间以点的形式焊上两霍尔输出端引线两霍尔输出端引

13、线两霍尔输出端引线两霍尔输出端引线(见图中见图中见图中见图中2-2)2-2)；在焊接处要求接触电阻小，而且在焊接处要求接触电阻小，而且在焊接处要求接触电阻小，而且在焊接处要求接触电阻小，而且呈纯电阻性质呈纯电阻性质呈纯电阻性质呈纯电阻性质(欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触););););（四）霍尔元件（四）霍尔元件（四）霍尔元件（四）霍尔元件霍尔片所用半导体薄片的几何形状对输出霍尔电势的影响霍尔片所用半导体薄片的几何形状对输出霍尔电势的影响霍尔片所用半导体薄片的几何形状对输出霍尔电势的影响霍尔片所用半导体薄片的几何形状对输出霍尔电势的影响:霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成如图所示霍尔元件

14、的结构由霍尔片、引线和壳体组成如图所示霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成如图所示霍尔元件的结构由霍尔片、引线和壳体组成如图所示.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。(1)(1)(1)(1)当控制电流不变时当控制电流不变时当控制电流不变时当控制电流不变时由于传感器的输出正比于磁感应强度，因此可测量转换由于传感器的输出正比于磁感应强度，因此可测量转换由于传感器的输出正比于磁感应强度，因此可测量转换由于传感器的输出正比于磁感应强度，因此可测量转换为磁感应强度

15、变化的量，如对位移、角度、转速和加速度等为磁感应强度变化的量，如对位移、角度、转速和加速度等为磁感应强度变化的量，如对位移、角度、转速和加速度等为磁感应强度变化的量，如对位移、角度、转速和加速度等进行测量进行测量进行测量进行测量.二.霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用由于霍尔元件具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性由于霍尔元件具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性由于霍尔元件具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性由于霍尔元件具有体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性良好以及寿命长等优点，霍尔传感器获得了广泛的应用。良好以及寿命长等优点，霍尔传感器获得了广泛的应用。良

16、好以及寿命长等优点，霍尔传感器获得了广泛的应用。良好以及寿命长等优点，霍尔传感器获得了广泛的应用。(2)(2)(2)(2)磁场不变时磁场不变时磁场不变时磁场不变时传感器输出值正比于控制电流值，因此凡能转换为电流传感器输出值正比于控制电流值，因此凡能转换为电流传感器输出值正比于控制电流值，因此凡能转换为电流传感器输出值正比于控制电流值，因此凡能转换为电流变化的量，均能进行测量。变化的量，均能进行测量。变化的量，均能进行测量。变化的量，均能进行测量。(3)(3)(3)(3)传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，因此，传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，因此，传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，因此，传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，因此，它可以用于乘法、功率等方面的计算与测量。它可以用于乘法、功率等方面的计算与测量。它可以用于乘法、功率等方面的计算与测量。它可以用于乘法、功率等方面的计算与测量。霍尔式传感器可以用于下述三个方面：霍尔式传感器可以用于下述三个方面：霍尔式传感器可以用于下述三个方面：霍尔式传感器可以用于下述三个方面：2.2.霍尔乘法器霍尔乘法器