霍尔传感器月2025/3/6/2025/3/62025/3/6霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数(cānshù)。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。一、工作原理、材料及结构特点1、工作原理霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。所谓霍尔效应是指置于磁场(cíchǎng)中的导体或半导体中通入电流时，若电流与磁场(cíchǎng)垂直，则在与磁场(cíchǎng)和电流都垂直的方向上出现一个电势差。磁感应强度B为零时(línɡshí)的情况磁感应强度(qiángdù)B较大时的情况霍尔效应(xiàoyìng)演示半导体材料的长、宽、厚分别为L、l和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面(duānmiàn)C和D上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中便形成一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。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。洛仑兹力用FL表示，大小为：FL=evB)式中，e为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A,B两端面因电荷积累而建立了一个电场ＥH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有eEH=evB霍尔电场的强度为EH=vB在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压(diànyā)，用UH表示UH=EHl=vBl所以，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征／所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号(fúhào)μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/L式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱；KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度(qiángdù)时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d。霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度(qiángdù)和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸2、材料(cáiliào)及结构特点(1)霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料(cáiliào)的不同而不同。载流体的电阻率ρ与霍尔系数RH和载流子迁移率μ之间的关系(2)霍尔电压(diànyā)UH与元件的尺寸有关元件的长度比L/l对UH也有影响。前面的公式推导，都是以半导体内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况只有在L/l很大时，即控制电极对霍尔电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电压下降(xiàjiàng)到接近于零。为了减少短路影响L/l要大一些，一般L/l=2。但如果L/l过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。1、2—控制电流引线端；3、4—霍尔电势(diànshì)输出端2、UH-I特性：线性关系由于霍尔电势随激励(jīlì)电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励(jīlì)电流。但激励(jīlì)电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励(jīlì)电流，它的数值从几毫安至十几毫安。三、误差分析(fēnxī)及误差补偿方法可以看出(kànchū)：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。除了锑化铟的内阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值，其次是砷化铟，它是值在左右温度下由正变负；再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍尔电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的15%。1）、利用输入回路的串联电阻进行补偿图中的四端元件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路。根据温度特性，元件霍尔系数(xìshù)和输入内阻与温度之间的关系式为：RHt=RH0(1+αt)Rit=Ri0(1+βt)根据式中UH=RHIB/d及I=E/(R+Ri)，可得出霍尔电压随温度变化的关系式为对上式求温度的