5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 额定激励电流和最大允许激励电流
额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。
最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对 应 的控制电流值。
❖ 输入电阻Ri和输出电阻Ro
Ri——控制电极之间的电阻值； Ro——霍尔电极之间的电阻。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 不等位电势UO和不等位电阻rO
在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载
霍尔电势称为不平衡电势UO。不平衡电势和额定控制
电流I之比为不平衡电阻ro。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 寄生直流电势 霍尔元件零位误差的一部分
当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍 尔电极的输出有一个直流电势。 原因：1. 控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆 接触时，会产生整流效应。
3、霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电
势一般在毫伏量级，实际使用时必须加差分放大器， 霍尔元件可分为线性测量和开关状态两种使用方式。
当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度较低、不等位电 势小、稳定性和线性区优良的霍尔元件。
可见，UH与电压V成正比，与元件几何宽长比B/l成 正比。这与几何因子的变化趋势相反。
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出与磁场(恒定或交变)之间的关系 (即UH—B特性)
当B<0.5T(即5000Gs) 时，呈现较好的线性
图 5-7 霍尔元件的开路输出与磁感应强度关系曲线
5.2.5 霍尔元件基本特性
2. 两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不 同产生温差电势。
❖ 霍尔电势温度系数α
在一定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，称霍尔温度系数α，单位：1／℃。
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 乘积灵敏度KH（V/A ·T） KH=UH/(IC*B)
❖ 磁灵敏度SB（V/T） 额定控制电流IC作用下： SB=UH/B)
图 5-5 UH 随x的变化曲线
5.2.3 霍尔元件基本结构
❖ 霍尔元件基本结构
图 5-6 霍尔元件的基本结构
5.2.4 霍尔元件基本特性
❖ 额定激励电流和最大允许激励电流 ❖ 输入电阻和输出电阻 ❖ 不等位电势和不等位电阻 ❖ 寄生直流电势 ❖ 霍尔电势温度系数 ❖ 乘积灵敏度KH（V/A ·T） ❖ 磁灵敏度SB（V/T）
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出电势与控制电流(直流或交流)之间的关 系(即UH—I特性)。 控制电流灵敏度KI＝UH/I
图 5-7 电流I与霍尔电势UH关系曲线
5.2.5 霍尔元件基本特性
❖ 霍尔输出电势与直流控制电压之间的关系 (即UH—V特性) I=V/R=Vbd/ρl
UH=KHIBf(l/B)=μ(b/l)BVf(l/B) (KH=RH/d)
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第5章 磁敏传感器
第5章 磁敏传感器
5.1
概述
5.2
霍尔元件
5.3
半导体磁阻器件
5.4
结型磁敏器件
5.5 铁磁性金属薄膜磁阻元件
5.6
压磁式传感器
5.7
新型磁传感器
5.1
▪ 霍尔元件
▪ 磁场测量 ▪ 电流测量 ▪ 转速测量
▪ 强磁体薄膜磁阻器件
▪ 位移测量 ▪ 角位移测量 ▪ 流量、转速测量
如下
KH
RH d
▪则
UH=KHIB
（5-8）
▪ 由上式可知，霍尔传感器的灵敏度是在单位磁感应强
度B=1和单位控制电流I=1作用下，所产生的霍尔电势。
5.2 霍尔元件
可以推导出：RH =μρ 其中μ为电子迁移率；ρ为材料的电阻率
❖金属材料和绝缘材料不适合用于制作霍尔元件
❖霍尔元件越薄（即d越小），霍尔传感器的灵敏度
v I nebd
5.2 霍尔元件
代入霍尔电势公式（５-2），得
UH
1 ned
IB
（5-7）
▪若霍尔元件采用 p 型半导体材料，则上式变为
UH
1 ped
IB
▪其中，p 为单位体积内的空穴数。
5.2 霍尔元件
p：1e
UH
RH
IB d
其中 RH 称为霍尔系数。显然霍尔系数由半导体材料性 质决定，它影响霍尔电势的大小。由此可导出灵敏度
▪ 半导体磁阻器件
▪ 微弱磁场测量 ▪ 脉冲测量
概述
5.2 霍尔元件
1
霍尔效应
2
霍尔元件基本结构
3
霍尔元件基本特性
4
霍尔元件基本特性
5 霍尔元件不等位电势补偿
6
霍尔元件温度补偿
7
霍尔集成电路
8
霍尔式传感器的应用
5.2 霍尔元件
图 5-1 霍尔实验
❖ 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一 致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间 产生电动势，这种现象称霍尔效应。
❖ 元件的输入或输出电阻与磁场之间的关系(即R一 B特性)
霍尔元件的内阻随磁 场强度的增加而增加， 即存在所谓磁阻效应
图 5-8 霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场关系曲线
▪1、基本测量电路
输入信号: I.B或者I或者B
2、连接方式
除了霍尔元件基本电路形式之外，在需要获 得较大的霍尔电势时可串接使用。
式中
——霍尔电场； ——霍尔元件宽度。
5.2 霍尔元件
当电子积累达到动态平衡时，两作用力相等，即
所以有：
（5－4）
▪ 因为流过霍尔元件的电流密度与电子运动速
度v有关，其关系为 j = -nev 其中，n为单位体积 中的电子数。
▪ 由于电流强度为Ｉ=jbd=-nevdb
▪其中，d 霍尔元件厚度，得电子运动速度为
❖ 产生的电动势称霍尔电势；半导体薄片称霍尔元件
5.2 霍尔元件 霍尔效应是半导体中自由电荷受到磁场中洛仑 兹力而产生的。
图 5-2 霍尔效应
5.2 霍尔元件
洛仑兹力为： f1 =ev×B
式中 e—电子电量； v—电子运动速度 B—磁场的磁感应强度。
在洛仑兹力的作用下，半导体一边产生负电 荷，一边积聚正电荷，产生一静电场——霍尔电 场，作用于电子的阻力为
KH越高。但过薄的元件会使输入、输出电阻增大。
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 磁场与元件法线的夹角 UH＝KHIBcosα
❖元件的几何形状 (形状效应因子f(l/b)） UH＝KHIBf(l/b)
图 5-4 元件尺寸l/b与f(l/b)的关系曲线
5.2.2 影响霍尔效应的因素
❖ 控制电极对UH的短路作用