产生的电动势称 霍尔电势 半导体薄片称 霍尔元件
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载流子受洛仑兹力
FL e B
e ＝ 1.602×10-19 为电子电荷量
霍尔电场强度 电场力
UH EH b
FE eEH
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平衡状态 FE FL 0
eEH evB
EH vB
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霍尔元件的主要技术指标
热阻
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RQ
它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上 输入 lmW 的电功率时产生的温升，单位为C／ mW。 所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定 条件下与电阻有关。
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3.6.2 霍尔式压力计工作原理
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产生线性磁场的磁极
U H EH b Bbv
因为
I nve bd
n 为N型半导体中的电子浓度
电子运动平均速度
I v bdne
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可得
1 IB UH ne d IB RH d K H IB
RH ——霍尔常数，由载流材料物理性质决定。 I ——控制电流强度 B ——磁感应强度 d ——霍尔元件厚度
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1. 不等位电势误的补偿
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可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位
电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。
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不等位电势的补偿
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不等位电势的补偿电路
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2. 温度误差及其补偿
温度误差产生原因：
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霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变 化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和 霍尔系数都是温度的函数。
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3.6.3 霍尔元件误差及补偿
1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿
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不等位电势和不等位电阻
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不等位电势Uo
：当霍尔元件的控制电流为 额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为 零，测得的空载霍尔电势。 不等位电势是由霍尔电极 2 和 2′之间的 电阻决定的，ro 称不等位电阻
当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍 尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而 使霍尔式传感器产生温度误差。
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减小霍尔元件的温度误差
选用温度系数小的元件
采用恒温措施 采用恒流源供电
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恒流源温度补偿
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霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的 变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与 温度的关系
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霍尔元件的主要技术指标
额定激励电流
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IH
使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激 励电流。通常用IH 表示。
输入电阻
Ri
它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温 (20±5℃)的环境温度中测取。
输出电阻
Rs
它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20±5℃) 的条件下测取。
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恒流源温度补偿电路
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当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时， 旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的 控制电流
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3.6.4 应用
测量原理：
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霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是 位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映 霍尔元件的位置。
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第11讲 霍尔式压力传感器 Hall Pressure Sensors
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Edwin Herbert Hall
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霍尔效应是磁电效应的一种， 这一现象是美国物理学家霍尔 （E. H. Hall，1855—1938）于 1879年在研究金属的导体热电机 理时发现的。 当电流垂直于外磁场通过导 体时，在导体的垂直于磁场和电 流方向的两个端面之间会出现电 势差，这一现象便是霍尔效应。 这个电势差也被叫做霍尔电势差。
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Edwin Herbert Hall (1855-1938)
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洛仑兹力
FL evB
B
磁感应 强度
控制电流
FL v FE
I UH
电子速度
霍尔电势
电场力
FE eEH
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半导体薄片置于磁场 B 中，当它的电流 I 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 UH ，这种现 象称 霍尔效应。
应用：
位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度
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产生梯度磁场的示意图
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位移量较小，适于测量微位移和机械振动
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霍尔式压力传感器
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1. 弹簧管 2. 磁铁 3. 霍尔片
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加速度传感器
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2 0
霍尔元件的主要技术指标
不等位电势及零位电阻
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r0
当霍尔元件通以控制电流 IH 而不加外磁场时， 它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电 势就称为不等位电势(或零位电势)。
寄生直流电势
V
当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时， 霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。 其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应， 而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电 势V。
并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直 流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达 1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。
例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为
电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开 方、乘方以及微积分等运算的运算器等。
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霍尔元件
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另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出 极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为 外壳。
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霍尔元件
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图(b) 是霍尔元件通用的图形符号
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霍尔元件
图(c)
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霍尔电极在基片 上的位置及它的宽度 对霍尔电势数值影响 很大。通常霍尔电极 位于基片长度的中间， 其宽度远小于基片的 长度。
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霍尔常数
1 RH ne
霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：
金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍 尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。
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U H K H BI
RH 1 KH d ned
图(d)是基本测量电
路。
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霍尔元件

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霍尔元件结构: 霍尔片，四极引线，壳体
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测量电路
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霍尔元件的基本测量电路如图所示。 激励电流
由电源E供给，可变电阻 RP 用来调节激励电流I 的大小。RL 为输出霍尔电势 UH 的负载电阻。通 常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。
霍尔元件灵敏度
半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度） 比空穴迁移率高
因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件
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霍尔传感器的特点
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霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基
于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感 器。
由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，
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霍尔元件
霍尔元件材料
1．锗(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)，N型及P型均可。
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3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相
似。
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霍尔元件
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霍尔元件
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霍尔元件
图(a)中，从矩 形薄片半导体基 片上的两个相互 垂直方向侧面上， 引出一对电极， 其中1-1电极用 于加控制电流， 称控制电极。
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K H K HO (1 T )
KH0 为温度T0时的KH值； △T 温度变化量； 霍尔电势的温度系数。
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• 大多数霍尔元件的温度系数是正值时，它们的霍尔电 势随温度的升高而增加(1+ △t )倍。 • 同时，让控制电流 I 相应地减小，能保持 KHI 不变就抵 消了灵敏系数值增加的影响。