磁敏传感器的工作原理大多是基于载流子在磁场中受洛仑兹力的作用而发生偏转的机理。目前，磁敏传感器发展的主要方向是半导体集成磁敏传感器。它采用集成电路工艺，把传感器和信号处理电路制作在同一个芯片上，具有灵敏度高、体积小、性能可靠、成本低等优点。11.1霍尔式传感器一、霍尔效应及霍尔元件1.霍尔效应长度为L,宽度为w,厚度为d的金属或半导体薄片，垂直置于磁感应强度为B的磁场中。若在它的两个对边通以激励电流I，则将在另两个相对边上产生电势UH，称为霍尔电势或霍尔电压，这种现象称霍尔效应。设薄片为N型半导体，其多数载流子电子的运动方向与电流相反。若电子平均运动速度为v,电荷量为e,则它将受到垂直于运动方向与磁场方向的洛仑兹力fL的作用，fL大小为fL=eBv式中:e——电子电荷;v——电子运动平均速度;B——磁场的磁感应强度。电子受到力的作用，将向一侧发生偏转，在该侧积累电子，相应地在另一侧积累正电荷，从而形成了附加内电场,此电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力fL作用外,还受到电场的作用力fE,此力阻止电荷继续积累。随着两个侧面积累电荷的增加,内电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与电场作用力大小相等、方向相反时,此时电荷不再向两侧积累,达到平衡状态。这时，在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势。产生霍尔电动势时，fL=fE，即evB=eEH，则EH=vB，UH=EHw.若金属或半导体导电板单位体积内电子数为n,电子定向运动平均速度为v,由激励电流I=-nev(wd),得v=-I/newd则EH=-IB/newd从而得霍尔电势UH=-IB/ned对于N型半导体，令RH=-1/(ne),称之为霍尔常数，霍尔元件的灵敏度定义为KH=RH/d,则UH=RHIB/d=KHIB由上式可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数RH,霍尔元件激励极间电阻R=ρL/（wd）,ρ为霍尔材料的电阻率。同时R=UI/I=EIL/I=L/（μnebd）,其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度，μ为电子迁移率（=v/EI)则解得：RH=μρ由此可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。若要霍尔效应强,则RH值大,因此要求霍尔片材料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。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。其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。2.霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如下图(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如下图(b)所示。3.霍尔元件基本特性1）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。2）灵敏度霍尔元件的灵敏度定义为，在单位磁感应强度和单位激励电流作用下输出的霍尔电势值，有时称为乘积灵敏度。它与霍尔系数与霍尔元件厚度有关，即KH=RH/d。3）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍尔电势随激励电流增加而增加,所以,使用时希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。4）不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为I时,若元件所处位置磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。产生这一现象的原因有:①霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上;②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;③激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻表示式中